DE10046656B4

DE10046656B4 - Scheduling-Verfahren für ein Master-Slave-System und Master-Slave-System

Info

Publication number: DE10046656B4
Application number: DE10046656A
Authority: DE
Inventors: Deepak Bansal; Manish Kalia; Rajeev Shorey
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Google LLC
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: US6680909B1; DE10046656A1

Abstract

Scheduling-Verfahren für ein Master-Slave-System, worin der Master jeweils eine Warteschlange für jeden der zugeordneten Slaves enthält, die zusammen mit einer Warteschlange in dem zugeordneten Slave bedient wird (Warteschlangenpaar), wobei
– beide Warteschlangen eines Paares bedient werden, ehe weitere Warteschlangenpaare bedient werden,
– die Warteschlangenpaare in Kategorien anhand von Informationen über ihre Größe klassifiziert werden, um Warteschlangenpaare höherer Kategorie mit höherer Priorität bedienen zu können,
– anhand von Informationen über den aktuellen und den vergangenen Systemstatus ein Maß für die Ungerechtigkeit der Zuteilungen von Bedienungen der Warteschlangenpaare definiert wird,
und das Scheduling-Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass
ein Warteschlangenpaar höherer Kategorie nur dann Priorität erhält, wenn vor seiner Bedienung festgestellt wird, dass durch seine Bedienung ein vorgegebener Grenzwert für die maximal zu tolerierende Ungerechtigkeit nach seiner Bedienung nicht überschritten würde.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung nimmt allgemein Bezug auf Master-Slave-Systeme und insbesondere auf ein Scheduling-Verfahren, das einen hohen Datendurchsatz und große Gerechtigkeit zwischen verschiedenen Verbindungen in einem drahtlosen Netzwerk gewährleistet.
Beschreibung des technischen Hintergrunds
Bei den meisten der neu entstandenen drahtlosen Kommunikationssystemen im picozellularen Bereich handelt es sich um Master-gesteuerte Systeme, die auf dem Zeitmultiplexingverfahren TDD (Time Division Duplex, TDD) basieren. Die herkömmlichen Strategien für das Datenpaket-Scheduling, die auf einem zyklischen Scheduling-Verfahren (Rundlaufsteuerung, Round Robin) beruhen, erweisen sich in diesen Systemen als unzulänglich.
Die physischen Einschränkungen des drahtlosen Mediums führen häufig wie selbstverständlich zu der Einrichtung einer Master-Slave-Konfiguration. In einer Master-Slave-Konfiguration ist eine der Stationen innerhalb einer Zelle der Master (dabei kann es sich entweder um einen festen Zugangspunkt oder um eine Basisstation handeln), während die anderen, entfernten Stationen Slaves darstellen (z. B. Handgeräte wie Palmtop-Rechner, Mobiltelefone oder Pager).
Der Ruf nach Einfachheit und geringer Komplexität hat das TDD-Verfahren zu einem vielversprechenden Verfahren für die Medienzugangssteuerung (Medium Access Control, MAC) in drahtlosen Systemen mit Master-Slave-Konfiguration werden lassen. Bei der Medienzugangssteuerung (MAC) mit Hilfe von TDD treten die vorwärtsgerichteten Zeitintervalle (d. h. vom Master zum Slave) und die rückwärts gerichteten Zeitintervalle (d. h. vom Slave zum Master) paarweise auf. Dies bedeutet, dass gemäß der Darstellung in 1 unmittelbar nach dem Senden von Daten durch den Master im vorwärtsgerichteten Zeitintervall das nachfolgende Zeitintervall für die Datenübertragung durch den Slave reserviert wird. Die Asymmetrie von Basisstationen und Mobileinheiten sowie die Ressourcenknappheit bei Mobileinheiten lassen es in drahtlosen Systemen als wünschenswert erscheinen, den Großteil der Komplexität im Master zu vereinen. Dieser Aufbau vereinfacht den Vielfachzugang, da der Master einen einzigen Koordinationspunkt bereitstellt. Die für eine energiesparende und kostengünstige Lösung der drahtlosen Kommunikationssysteme vorgeschlagenen Standards sehen das zentralisierte TDD-Scheduling als das MAC-Protokoll vor, das den Zugang zu dem drahtlosen Medium regeln soll.
Das Master-gesteuerte TDD-Scheduling birgt einige Herausforderungen, da die traditionellen Scheduling-Methoden für diese MAC-Variante nicht besonders gut geeignet sind. Nach der Abfrage eines Slave durch einen Master wird das nächste Zeitintervall für den Slave reserviert. Dabei spielt es keine Rolle, ob beim Slave zu sendende Daten vorliegen oder nicht (siehe ebenfalls 1). Eine effiziente Scheduling-Methode wäre demnach abhängig von (i) dem Status der Warteschlangen beim Master und bei den Slaves, (ii) dem Datenankunftsprozess an diesen Warteschlangen und (iii) von der Paketlängendistribution am Master und am Slave. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wird in dem vorliegenden Dokument eine neue Scheduling-Methode vorgeschlagen, die auf die Medienzugangssteuerung am Master mit Hilfe von TDD zugeschnitten ist. Bei den schwerpunktmäßig untersuchten Parametern handelt es sich (i) um den Systemdurchsatz, (ii) die Paketverzögerungen und (iii) die Gerechtigkeit. Der Durchsatz wird definiert als Anzahl der für die Datenübertragung genutzten Zeitintervalle. Die Gerechtigkeit wird definiert als gleiche Bandbreite für verschiedene Verbindungen.

Es wurden bereits Scheduling-Methoden vorgeschlagen, die eine a-priori Reservierung von Zeitintervallen durch die Slaves vorsehen. Ein Beispiel hierfür liefert das US-Patent mit der Seriennummer 5.506.848 von Drakopoulos u.a. mit dem Titel "Demand Assignment System and Method for Mobile Users in a Community of Interest". In einigen Systemen ist die Reservierung von Zeitintervallen für Datenpakete jedoch nicht zulässig. Aufgrund der Master-gesteuerten TDD-Struktur kann ein Slave-Datenpaket nur nach einem Master-Datenpaket übertragen werden.

Das US-Patent mit der Seriennummer 5.274.841 von Natarajan u.a. mit dem Titel "Methods for Polling Mobile Users in a Multiple Cell Wireless Network" behandelt Verfahren für das sequentielle Abfragen (Polling) mobiler Benutzer. Die drahtlose Kommunikation von der Mobilstation zur Basisstation erfolgt jedoch unter Verwendung des CSMA-Protokolls (Carrier Sensing Multiple Access, CSMA).

Ein zweistufiges auf Konkurrenzlosigkeit basierendes Protokoll für den Vielfachzugriff wird im US-Patent mit der Seriennummer 5.297.144 von Gilbert u.a. mit dem Titel "Reservation-based Polling Protocol for A Wireless Data Communication Network" beschrieben. Diesem Protokoll liegt ein reservierungsbasiertes sequentielles Abfrageverfahren zugrunde. Angesichts der für einige Systeme geltenden Einschränkungen für Zeitintervalle ist ein solcher Ansatz nicht praktikabel.

Im US-Patent mit der Seriennummer 4.763.322 von Eizenhofer mit dem Titel "Digital Radio Transmission System with Variable Duration Time Slots in the Time-Division Multiplex Frame" wird eine Scheduling-Methode beschrieben, bei der die Zeitintervalle im Multiplexrahmen des TDMA-Systems eine unterschiedliche Dauer aufweisen. Diese Methode lässt sich jedoch nicht auf ein TDD-System anwenden, da sie Zeitintervalle mit unterschiedlicher zeitlicher Länge vorsieht (im Gegensatz zu Systemen mit Zeitintervallen von fester Dauer).

Eine Scheduling-Methode, die auf die proportionale Nutzung der Netzwerkbandbreite abzielt, wird in dem US-Patent mit der Seriennummer 5.844.890 von Delp u.a. mit dem Titel "Communications Cell Scheduler and Scheduling Method for Providing Proportional Use of Network Bandwidth" vorgeschlagen. Diese Methode ist jedoch für einige Systeme ungeeignet, da sie die bei Master-gesteuerten TDD-Systemen auftretenden Herausforderungen nicht in Angriff nimmt.

Aus der US 5,894,472 ist ein Paketzugriffsverfahren in einem zellularen, digitalen Funkkommunikationssystem bekannt. Jeder Zelle ist eine Basisstation zugeordnet. Mobile Stationen kommunizieren über die jeweilige Basisstation, die der entsprechenden Zelle zugeordnet ist, in der sich die mobilen Stationen befinden. Jeder Frame in der Übertragungsrichtung von einer mobilen Station zur Basisstation umfasst mindestens ein gemeinsam genutztes Zeitfenster, das mindestens zwei unterschiedlichen mobilen Stationen zugewiesen ist. Für jedes gemeinsam genutztes Zeitfenster verfügt das System über eine Liste von aktiven mobilen Stationen, wobei eine aktive mobile Station eine solche mobile Station ist, der ein gemeinsam genutzte Zeitfenster zugeordnet ist und die mindestens ein vordefiniertes Auswahlkriterium erfüllt. Das System ordnet jedem Frame für jedes gemeinsam genutzte Zeitfenster eine von einer Liste gewählte mobile Station zu. Das zugrunde liegende Prinzip besteht nun darin, aktive und inaktive mobilen Stationen zu unterscheiden und den aktiven mobilen Stationen einen minimalen Service zu garantieren. Demgemäß bekommen nur die aktiven, mobilen Stationen Zugriff auf ein gemeinsam genutztes Zeitfenster, d.h., wenn eine mobile Station keine Daten zu übertragen hat, die Verbindung jedoch noch nicht beendet ist, bleibt die mobile Station mit einem gemeinsam genutzten Zeitfenster assoziiert, sie wird aber von der Liste der aktiven mobilen Stationen entfernt. Als Ergebnis bedient das Funkkommunikationssystem keine mobilen Stationen, die von der Liste der aktiven mobilen Stationen entfernt worden sind.

Aus der US 5,818,831 ist eine digitale Funkkommunikationseinrichtung bekannt, die das TDMA-System einsetzt. Die Einrichtung umfasst eine Übertragungseinheit zum Übertragen eines Signals zu einer vorbestimmte Übertragungszeiteinteilung und bei einer vorbestimmten Frequenz, eine Empfangseinheit zum Empfangen des Signals zu der vorbestimmten Zeiteinteilung auf derselben Frequenz wie die der Übertragungseinheit, eine Speichereinheit zum Speichern von Informationen, die benutzt werden, um zu entscheiden, ob ein Übertragungsvorgang zu der Zeiteinteilung ausgeführt wird oder nicht und eine Steuereinheit zum Sammeln von Informationen von der Speichereinheit, wenn die Zeiteinteilung erreicht wird, zu welcher der Übertragungsvorgang durchgeführt werden soll, zum Entscheiden, ob der Übertragungsvorgang durchgeführt werden soll, und als Ergebnis dieser Entscheidung, wenn entschieden ist, dass der Übertragungsvorgang durchgeführt werden soll, zum Steuern der Übertragungseinheit, so als ob die Übertragung des Signals nicht durchgeführt wird, und zum Steuern der Empfangseinheit, um das Signal zu Empfangen zu der Zeiteinteilung, zu der die Übertragungsoperation durch die Übertragungseinheit hätte ausgeführt werden sollen.

Die Offenlegungsschrift DE 195 43 845 A1 betrifft ein Verfahren, das auf dynamische Aufteilung des Funkübertragungsumfangs in einem TDMA-System auf Paketfunkdienst und leitungsvermittelten Dienst zielt. Gemäß der Beschreibung wird eine bestimmte Grundanzahl von Zeitschlitzen für Paketfunkdienst reserviert, und der Rest wir für leitungsvermittelten Dienst reserviert. Wenn die Verkehrserfordernisse für den Paketfunkdienst ansteigen, wird diesbezügliche Information mittels Anforderungen von mobilen Stationen oder über Verkehrsmessungen in der Basis- Sendeempfängerstation erhalten. Diese Information wir als Kriterium beim Zuordnen von mehr Zeitschlitzen zum Paketfunkdienst verwendet.

Scheduling-Herausforderungen in Master-gesteuerten, drahtlosen, picozellularen TDD-Systemen

In Master-gesteuerten, drahtlosen TDD-Systemen werden Master- und Slave-Warteschlangen paarweise bedient. Wenn ein Master über zu sendende Daten verfügt und der Slave hingegen nicht, bleibt das rückwärts gerichtete Zeitintervall ungenutzt. Dies wird in 2 veranschaulicht. In diesen Systemen ist jedem Slave eine Warteschlange (im Folgenden Slave-Warteschlange) mit Datenpaketen zugeordnet, die an den Master gesendet werden sollen. Analog dazu ist dem Master für jeden Slave eine Warteschlange mit Datenpaketen zugeteilt, die an den jeweiligen Slave zu senden sind.

Es lässt sich feststellen, dass bei unterschiedlichen Verbindungen eine andere Nutzung der Zeitintervalle erfolgen kann. Zur Erhöhung des Systemdurchsatzes müssen vermehrt Verbindungen bedient werden, die eine bessere Nutzung der Zeitintervalle aufweisen. Dadurch tritt jedoch ein Gerechtigkeitsproblem (in Form der von einer Verbindung empfangenen Zeitintervalle) zwischen den verschiedenen Verbindungen auf. Daher werden Scheduling-Methoden benötigt, die den Systemdurchsatz erhöhen und gleichzeitig Gerechtigkeit gewährleisten. Diese Problematik behandeln beispielsweise folgende Referenztexte:
C. Fragouli, V. Sivaraman und M. B. Srivastava: "Controlled Multimedia Wireless Link Sharing via Enhanced Class-Based Queueing and Channel-State-Dependent Packet Scheduling", IEEE INFOCOM 98, San Francisco: März 1998; S. Lu, V. Bharghavan and R. Srikant: "Fair Scheduling in Wireless Packet Networks", ACM SIGCOMM 97: August 1997;
und S. Lu, T. Nandagopal und V. Bharghavan: "A Wireless Fair Service Algorithm for Packet Cellular Networks", ACM MOBICOM 98: Dallas, 1998.

Herkömmliche Scheduling-Konzepte: zyklisches Verfahren (Round Robin)

Herkömmliche Scheduling-Konzepte basieren auf dem zyklischen Verfahren (Round Robin). Beim zyklischen Scheduling werden verschiedene Verbindungen in einer zyklischen Reihenfolge aufgerufen. 3 veranschaulicht das Szenario für das zyklische Scheduling.

In Master-gesteuerten TDD-Systemen werden beim Scheduling nicht einzelne Warteschlangen sondern Warteschlangenpaare bedient (dem vorwärtsgerichteten Zeitintervall für die Master-Warteschlange folgt das rückwärts gerichtete Zeitintervall für die Slave-Warteschlange). Herkömmliche Verfahren wie das zyklische Scheduling gewährleisten eine gleichmäßige Zuteilung der Zeitintervalle auf alle Verbindungen. Da bei unterschiedlichen Verbindungen eine unterschiedliche Nutzung der Zeitintervalle erfolgt, kann beim zyklischen Scheduling vorkommen, dass sehr viele Zeitintervalle nicht genutzt werden.

Dieses Problem wird durch eine Verfeinerung des Round-Robin-erfahrens adressiert, den so genannten „Weighted-Round-Robin"-Verfahren. Dabei werden einzelne Verbindungsanforderungen priorisiert. In KHASNABISH, B; AHMAHDI, M.: „In Search of a Fair Scheduling Policy for Serving Multi-Queue Systems", IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1993, 14-17 Sept., Vol. 2, S. 1239-1242 werden zwei Varianten eines „Weighted-Round-Robin"-Verfahrens beschrieben. Dabei werden die Verbindungsanforderungen in zwei verschiedene Kategorien klassifiziert und jeweils in getrennten Zwischenspeichern abgelegt, die nachfolgend bedient werden. Aus den priorisierten Verbindungsanforderungen wird dabei zunächst diejenige mit der höchsten Priorität ausgewählt. Diese wird bedient, wenn nicht die Ungerechtigkeit eine bestimmte Grenze überschreitet. Andernfalls werden Verbindungsanforderungen niederer Priorität vorgezogen.

Dieses Verfahren lässt sich mit dem in KAUTZ, R.; LEON-GARCIA, A.: „In A Distributed Self-Clocked Fair Queueing Architecture for Wireless ATM", IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 1997, 1-4 Sept., Vol. 1, S. 189-193 beschriebenen Verfahren kombinieren. Die Klassifizierung in zwei verschiedene Kategorien wird dabei nach einem Bedienvorgang erneut vorgenommen und eine neue Priorisierung festgelegt.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

Angesichts dieser Betrachtungen hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, eine Scheduling-Methode bereitzustellen, die die Gerechtigkeit in Master-Slave-Systemen gewährleistet. Insbesondere soll dies für drahtlose TDD-Systeme unter Erzielung eines hohen Datendurchsatzes erreicht werden.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Scheduling-Methoden können als warteschlangenabhängige Konzepte für das Datenpaket-Scheduling in Master-Slave-Konfigurationen bezeichnet werden. Diese Konzepte sehen die Nutzung von Informationen über Master- und Slave-Warteschlangen vor, um eine bessere Systemleistung zu erzielen. Die Scheduling-Methode wird Master-seitig implementiert und hat deshalb Zugriff auf Informationen über die Master-Warteschlangen. Verschiedene Informationen über den Warteschlangenstatus wie Rückstand, Größe und Verzögerung können genutzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Scheduling-Methode werden beispielsweise die Informationen zum „Rückstand" bei den Master- und Slave-Warteschlangen genutzt. Eine Warteschlange weist einen Rückstand auf, wenn sie über zu sendende Daten verfügt. Mit "1" wird der Status beschrieben, wenn in der Warteschlange (Master oder Slave) zu sendende Daten vorliegen, mit „0", wenn keine Daten zu senden sind. So ergeben sich logischerweise vier verschiedene Status für die Master-Slave-Warteschlangenpaare. Das "Paar" aus Master und Slave hat beispielsweise den Status "1-1", wenn sowohl der Master als auch der Slave einer Verbindung über zu sendende Daten verfügen (Rückstand). Wenn weder am Master noch am Slave zu sendende Daten vorliegen, hat das Paar den Status "0-0".

Die Warteschlangeninformationen über die Slaves können durch verschiedene Mechanismen an den Master übermittelt werden. Die Übermittlung kann durch das Aufschnüren der Informationen auf Datenpakete oder durch implizite Mechanismen wie das Beobachten des Systems realisiert werden. Im Sinne der erfindungsgemäßen Warteschlange an den Master übermittelt. Dazu wird ein Bit auf die vom Slave für den Master bestimmten Datenpakete aufgeschnürt, sofern solche vorhanden sind. Dieses Bit kann in der Kopfzeile oder im Nutzdatenvolumen enthalten sein. Für jedes vom Slave gesendete Datenpaket wird dieses Bit als "1" oder "0" markiert. Es wird als "1" gekennzeichnet, wenn sich noch weitere Datenpakete in der Warteschlange befinden, für die eine Übertragung aussteht. Eine Kennzeichnung mit "0" erfolgt, wenn in der Warteschlange kein Rückstand mehr vorhanden ist.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die bereits erwähnten sowie weitere Ziele, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung mit Bezugnahme auf folgende Zeichnungen leichter zu verstehen:

1 ist ein Diagramm zur Darstellung von wechselnden Übertragungszeitintervallen für den Datentransfer zwischen Master und Slave.

2 ist ein Diagramm zur Darstellung der ungenutzten Übertragungszeitintervalle für den Fall, dass an einem Slave oder einem Master keine zu sendenden Daten vorliegen.

3 ist ein Diagramm zur Darstellung des Protokolls für das zyklische Scheduling.

4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Implementierung der warteschlangenabhängigen Konzepte für das Datenpaket-Scheduling gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

5A und 5B sind Diagramme zur Veranschaulichung des in 4 dargestellten Prozesses.

6 ist eine Graphik, die die Ergebnisse der Systemdurchsatzsimulation in Bezug zu einem Gerechtigkeitsparameter setzt.

7 ist eine Graphik, die die Ergebnisse der Simulation des Systemdurchsatzes unterschiedlicher Verbindungen in Bezug zum Gerechtigkeitsparameter setzt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird die K-Fairness-Methode vorgestellt. Diese Methode umfasst zwei Schritte. Im ersten Schritt werden die Verbindungen anhand bestimmter Kriterien in Kategorien eingeteilt (die Kriterien werden nachfolgend genannt). Im zweiten Schritt wird die K-Fairness-Methode auf die kategorisierten Verbindungen angewandt.
Kategorisierung von Verbindungen
Die Verbindungen werden anhand der Zeitintervallnutzung kategorisiert. Die Verbindungen mit der höchsten Zeitintervallnutzung werden der ersten Kategorie (A) zugeteilt. Hierauf aufbauend lassen sich weitere Verbindungskategorien erstellen. Diese Klassifizierung kann von Natur aus dynamisch sein, d. h., dass die Verbindungen beständig von einer Kategorie in eine andere wechseln können. Master-Slave-Paare mit dem Status "1-1" (wie oben definiert) werden der Kategorie A zugeteilt. Master-Slave-Paare mit dem Status "1-0" oder "0-1" werden der zweiten Kategorie (B) zugeordnet. Ziel ist es, die höheren Kategorien in stärkerem Maße zu bedienen. Die Methode verfährt anhand der folgenden Kategorien:

1. Kategorie A: Master-Slave-Paare "1-1"
2. Kategorie B: Master-Slave-Paare "1-0", "0-1"

Für Master-Slave-Paare mit dem Status "0-0" wird kein Scheduling durchgeführt.
Die K-Fairness-Methode wird in 4 in einem Ablaufdiagramm veranschaulicht, auf das im Folgenden Bezug genommen wird. Im Funktionsblock 41 werden alle Verbindungen, die sich im Rückstand befinden, nach dem zyklischen Verfahren aufgerufen. (Eine Verbindung weist einen "Rückstand" auf, wenn sich in der Master- oder der Slave-Warteschlange Datenpakete befinden, für die eine Übertragung aussteht.) Im Entscheidungsblock 42 wird durch einen Test ermittelt, ob es sich bei einer Verbindung um eine Verbindung des Typs A handelt. In Funktionsblock 43 werden Verbindungen des Typs A bedient, wenn der dafür fällige Zeitpunkt im zyklischen Verfahren erreicht ist. Ist die Bedienung einer Verbindung des Typs B fällig, wird im Funktionsblock 44 versucht, die Bedienung auf Verbindungen des Typs A zu übertragen (weil verstärkt Verbindungen des Typs A bedient werden sollen).
Es werden die zwei Parameter "Qmin" und "Qmax" festgelegt." Qmin" bezeichnet die minimale Bedienung einer Verbindung aus der Gesamtheit aller Verbindungen mit Rückstand bis zum aktuellen Zeitpunkt. Analog dazu beschreibt "Qmax" die maximale Bedienung einer Verbindung aus der Gesamtheit aller Verbindungen, die sich im Rückstand befinden, bis zum aktuellen Zeitpunkt. Qmax und Qmin werden beständig für das System aktualisiert. Es gilt zu verstehen, warum verschiedene Verbindungen in unterschiedlichem Maße bedient werden. Obgleich alle Verbindungen, die einen Rückstand aufweisen, in der durch das zyklische Verfahren vorgegebenen Reihenfolge bedient werden, hat der gelegentliche Bedienungstransfer von Verbindungen des Typs B auf Verbindungen des Typs A eine unterschiedlich starke Bedienung der einzelnen Verbindungen zur Folge.
In Entscheidungsblock 45 wird anhand eines Tests ermittelt, ob eine Verbindung der Kategorie A gefunden wurde. Sollte dies nicht der Fall sein, wird die aktuelle Verbindung in Funktionsblock 43 bedient, und der Prozess beginnt erneut bei Funktionsblock 41. Wird jedoch eine Verbindung des Typs A gefunden, wird in Funktionsblock 46 die Bedienung der Verbindung des Typs B auf die Verbindung des Typs A übertragen.
Um die Bedienung einer Verbindung zu verfolgen, erfolgt eine laufende Ermittlung der übermäßigen bzw. zu geringen Bedienung als Abweichung von der festgesetzten, gerechten Häufigkeit, mit der eine Verbindung im Rahmen des zyklischen Verfahrens bedient werden sollte. Dieses Vorgehen erweist sich als sehr nützlich, da die Verwaltung der gesamten Bedienung einer Verbindung schwierig ist (weil diese zahlenmäßig sehr groß sein kann). Außerdem kann die Bedienung von Verbindungen üblicherweise zwischen einem Übermaß und einem Defizit an Bedienung schwanken. Daher ist der Wert für dieses Übermaß bzw. Defizit an Bedienung stets niedrig und begrenzt (und ist deshalb einfacher zu speichern als der Wert für die gesamte Bedienung). Das Übermaß bzw. Defizit wird pro Verbindung von einem Zähler aufgezeichnet.
Wird eine Verbindung zu dem für sie im zyklischen Verfahren vorgesehenen Zeitpunkt bedient, bleibt der Zählerwert für die Verbindung unverändert, da die Verbindung weder übermäßig noch zu wenig bedient wurde. Wenn die Bedienung einer Verbindung des Typs B auf eine Verbindung des Typs A übertragen wird, wird der Zählerwert der Typ-A-Verbindung in Funktionsblock 47 um 1 erhöht, während der Zählerwert der Typ-B-Verbindung in Funktionsblock 48 um 1 vermindert wird. Der Zählerstand reflektiert die stärkere Bedienung der Typ-A-Verbindung und die geringere Bedienung der Typ-B-Verbindung.
Zur Gewährleistung der Gerechtigkeit zwischen unterschiedlichen Verbindungen ist es erforderlich, den Bedienungstransfer von Verbindungen des Typs B auf Verbindungen des Typs A zu steuern. Bei jedem Bedienungstransfer findet in Funktionsblock 49 eine Aktualisierung der Werte für Qmin und Qmax statt. Hierbei handelt es sich um eine einfache Operation, denn bei einem Transfer können sich die Bedienungswerte nur für zwei Verbindungen ändern.
Der Bedienungstransfer ist dann zulässig, wenn nach dem Transfer gilt: (Qmin-Qmax) ≤ K. Der Parameter K wurde für die Scheduling-Methode vordefiniert. Er steuert die Gerechtigkeit in einem System. Durch den Parameter K wird ein Grenzwert für die maximal zu tolerierende Ungerechtigkeit festgelegt. Typisch für die Verbindungen ist der Wechsel ihres Status von Typ A zu Typ B und umgekehrt. Eine Verbindung, die einen Statuswechsel von Typ A zu Typ B vollzieht, verliert die übermäßige Bedienung, indem sie die Bedienung auf andere Verbindungen des Typs A überträgt. Auf die gleiche Weise kann eine Verbindung, die einen Statuswechsel von Typ B zu Typ A vollzieht, die verlorengegangene Bedienung zurückerhalten.
Dieser Bedienungstransfer bei Verbindungen kann sich in vielen Szenarien als nützlich erweisen. Es kann typischerweise der Fall eintreten, dass die Bedienung von Verbindungen des Typs B eine Verschwendung von Ressourcen wie dem Systemdurchsatz nach sich zieht. Infolgedessen ist eine stärkere Bedienung von Verbindungen des Typs A wünschenswert. Dem stehen jedoch zwei Probleme im Weg. Zunächst ist dies nur eingeschränkt möglich, da sonst die Verbindungen des Typs B möglicherweise nicht ausreichend bedient werden. Des Weiteren muss für die Gewährleistung einer langfristigen Gerechtigkeit die übertragene Bedienung aufgezeichnet werden, sodass für die Verbindungen des Typs B ein angemessener Ausgleich geschaffen werden kann. Mit der K-Fairness-Methode lassen sich die beiden genannten Zielsetzungen sehr gut realisieren. Des Weiteren kann die Methode leicht und mit geringem Aufwand implementiert werden.
Die (von Verbindungen des Typs B) an Verbindungen des Typs A übertragene übermäßige Bedienung wird nach dem zyklischen Verfahren auf die Verbindungen des Typs A verteilt. Im Allgemeinen kann die übermäßige Bedienung auf beliebige Weise verteilt werden.
Beispiel
Die Kernidee des Bedienungstransfers von "1-0" oder "0-1"-Verbindungen (Typ B) auf "1-1"-Verbindungen (Typ A) wird im Folgenden anhand von Diagrammen veranschaulicht, die eine Möglichkeit der Umsetzung der Methode darstellen. In 5A wird eine Verbindung des Typs "1-1" (Rückstand sowohl am Master als auch am Slave) zum Zeitpunkt ihrer Einsatzbereitschaft im Zyklus von zwei Zeitintervallen bedient. Grund dafür ist der Umstand, dass Verbindungen des Typs A bedient werden, sobald der dafür vorgesehene Zeitpunkt im Zyklus erreicht ist.
In 5B wird ein Bedienungstransfer von einer "1-0"-Verbindung (Typ B) auf eine "1-1"-Verbindung (Typ A) dargestellt. Dies wurde zugelassen, da die Systemanforderung (Qmax-Qmin) < K erfüllt wird. Nach diesem Transfer erfolgt eine Aktualisierung der Zähler, die für beide Paare die Bedienung registrieren. Dabei wird der Zählerwert für die "1-1"-Verbindung um eins erhöht (Funktionsblock 48), während der Zählerwert für die "1-0"-Verbindung um eins vermindert wird (Funktionsblock 47).
Allgemeine Darstellung der K-Fairness-Methode
Oben wurde die K-Fairness-Methode mit zwei Kategorien vorgestellt. Die Anzahl der Kategorien für die Methode kann allgemein als "N" angegeben werden. Das gesamte Verfahren läuft dabei genau wie oben beschrieben ab. Jeder Verbindung ist ein Wert K(i) zugeordnet. Verbindungen der unteren Kategorien übertragen einen Teil ihrer Bedienung auf Verbindungen der höheren Kategorien. Dies geschieht in Abhängigkeit von dem Wert F(i, Qmax, Qmin, K1, ..., K(N), A). F ist eine Funktion verschiedener Systemstatusparameter wie Qmax, Qmin, i (Verbindungstyp), K(i) und A (anderer Parameter). Je nach dem aktuellen Systemstatus oder der vergangenen Historieninformationen kann sich der Parameter K(i) mit der Zeit ändern. Verschiedene Master-Slave-Paare können in beliebiger Reihenfolge, nicht zwingend im zyklischen Verfahren, aufgerufen werden.
Die Kategorien lauten beispielsweise C(0), C(1) .... C(n). Dabei entspricht C(0) der am meisten bevorzugten Kategorie (höchste Kategorie), während C(n) der am wenigsten bevorzugten Kategorie (niedrigste Kategorie) entspricht. Verbindungen der Kategorie C(i) übertragen einen Teil ihrer Bedienung auf Verbindungen der Kategorie C(j), wenn

1. die Bedingung F(Qmax, Qmin, i, K(1), ..., K(n), A) erfüllt ist, und
2. für keine Verbindung der Kategorie C(k), k < j gilt, sodass der Bedienungstransfer ohne eine Missachtung der Bedingung erfolgen kann.

Infolgedessen wird die Bedienung ohne Missachtung der Bedingung auf die höchstmögliche Kategorie übertragen. Die Verbindungen können die Kategorien dynamisch wechseln.
Scheduling mit Datenpaketen unterschiedlicher Größe und Sprachkanälen
Bisher wurde das Scheduling mit Datenpaketen einer Größe beschrieben (eine Zeitintervalllänge). In einigen Mastergesteuerten TDD-Systemen sind Datenpakete unterschiedlicher Größe zulässig. In diesen Systemen sind beispielsweise Paketgrößen von 1, 3 und 5 Zeitintervalllängen möglich. Aufgrund der Präsenz von reservierten Kanälen für die Sprachübertragung, wird die Anzahl der benachbarten Datenzeitintervalle auf 2 oder 4 gesenkt. Datenpakete können nur über benachbarte Zeitintervalle übertragen werden. Wenn ein Sprachkanal vorhanden ist, und wenn sich zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitintervallen für Sprache vier freie Zeitintervalle befinden, sind nur Pakete der Größen 1 und 3 an den Warteschlangen des Master und des Slave zulässig. In diesem Fall können anhand der Datenpaketgröße am Ende der Master- und Slave-Warteschlangen drei Verbindungskategorien gebildet werden. Die Bezeichnung der Verbindungen erfolgt anhand der Größe der in den Master- und Slave-Warteschlangen vorhandenen Datenpakete. So verfügt beispielsweise eine 3-1-Verbindung über ein Datenpaket der Größe 3 in der Master-Warteschlange und über ein Datenpaket der Größe 1 in der Slave-Warteschlange.

1. Kategorie 1: Diese Kategorie umfasst Verbindungen, die eine maximale Nutzung der Zeitintervalle ermöglichen. In diese Kategorie fallen die Verbindungen der Typen 3-1, 1-3 und 1-1. Diese Verbindungen nutzen die Zeitintervalle zu 100%.
2. Kategorie 2: Diese Kategorie umfasst Verbindungen der Typen 3-0 und 0-3. Diese Verbindungen nutzen die Zeitintervalle zu 75%.
3. Kategorie 3: Diese Kategorie umfasst Verbindungen der Typen 1-0 und 0-1. Diese Verbindungen nutzen die Zeitintervalle zu 50%.

Die K-Fairness-Methode kann auch in diesem Fall angewandt werden. Folglich lässt sich die K-Fairness-Methode in Systemen einsetzen, die die Übertragung sowohl von Sprache als auch von Daten unterstützen.
Mit Hilfe der Ereignissimulation wurde ein Leistungsvergleich zwischen den verschiedenen Scheduling-Verfahren durchgeführt. Dabei wird ein Picozellennetz simuliert, das aus fünf Slaves und einem Master besteht. Jedem Slave ist eine Warteschlange am Master zugeordnet. Die TDD-Zeitintervalllänge entspricht 625 Mikrosekunden. Bei der Simulation wird der Ankunftsprozess für Sprache nicht explizit nachgestellt. Da Sprache mehr Priorität eingeräumt wird als Daten, werden im System Zeitintervalle für die Sprachübertragung vom Master reserviert. Beim Ankunftsprozess für Daten an den Master- und Slave-Warteschlangen soll es sich entweder (i) um einen Poisson-Prozess (MP) oder um (ii) einen Markoff-modulierten Poisson-Prozess (MMPP) mit zwei Status handeln. Beim MMPP-Prozess besteht für den Übergang von dem einen Status in den anderen eine Wahrscheinlichkeit von 0,01, und die Wahrscheinlichkeit für das Verharren in einem Zustand beträgt 0,99. Die Abfertigungszeit für ein Datenpaket ist abhängig von der Paketlänge. Ein Paket der Größe 1 belegt ein einziges Zeitintervall. Tabelle 1 enthält verschiedene Simulationsparameter. Die Ankunftsrate ist in Paketeinheiten pro TDD-Zeitintervall angegeben.
Tabelle 1
Aus Tabelle 1 geht hervor, dass das Master-Slave-Paar 1 (M-S-Paar 1) sowohl an der Master- als auch an der Slave-Warteschlange eine hohe Ankunftsrate aufweist. Folglich wird das Paar die meiste Zeit den Status "1-1" beibehalten. Die M-S-Paare 2 und 3 weisen beständig eine sehr hohe Ankunftsrate an der einen Warteschlange und eine niedrige Ankunftsrate an der anderen Warteschlange auf. Folglich werden diese Paare die meiste Zeit den Status "1-0" oder "0-1" beibehalten. Bei Paaren mit MMPP-Verkehr (4 und 5) ist die Ankunftsrate an beiden Warteschlangen bisweilen hoch oder an der einen Warteschlange hoch und an der anderen niedrig, oder die Paare weisen an beiden Warteschlangen eine niedrige Ankunftsrate auf. Die Puffergröße an den Warteschlängen der Slaves und des Master wird auf 20 Pakete festgesetzt. Bei der Durchführung einer Ereignissimulation an 5000 TDD-Zeitintervallen wurden nach den ersten 100 Zeitintervallen die ermittelten Ergebnisse gesammelt, um eventuelle Initialisierungsfehler bei der Simulation zu beheben.
Simulationsergebnisse
Der folgende Abschnitt enthält eine ausführliche Beschreibung der Leistung der beiden im vorliegenden Dokument diskutierten Scheduling-Konzepte, die für das MAC-Protokoll in Frage kommen.
Tabelle 2 Leistungsvergleich zwischen der K-Fairness-Methode und dem zyklischen Verfahren
In Tabelle 2 wird die Leistung der K-Fairness-Methode (KFP) mit der Leistungsfähigkeit des zyklischen Verfahrens (ZV) verglichen. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass das zyklische Verfahren hinsichtlich des Durchsatzes (Prozentsatz der insgesamt genutzten Systemzeitintervalle) eine wenig leistungsfähige Methode darstellt, während mit KFP wesentlich bessere Leistungen erzielt werden. Mit KFP wird für K (den Gerechtigkeitsparameter) ein Parameterwert von 500 erreicht.
In 6 ist zu erkennen, wie der Systemdurchsatz mit dem Parameter K zunimmt. Mit jeder Erhöhung des Wertes für K steigt der Gesamtsystemdurchsatz beträchtlich. Ein großer Wert für K weist darauf hin, dass eine größere Ungerechtigkeit toleriert werden kann. Infolgedessen erhöht sich der Systemdurchsatz.
In 7 wird der Durchsatz verschiedener Verbindungen gegen "K" in KFP abgetragen. Es lässt sich feststellen, dass das Master-Slave-Paar 1 den größten Zuwachs an Systemdurchsatz erfährt, während für die Paare 2 und 3 nur eine geringe Erhöhung des Durchsatzes verzeichnet wird. Für dieses Ergebnis zeichnet verantwortlich, dass das Paar 1 sowohl an der Master- als auch an der Slave-Warteschlange eine hohe Ankunftsrate aufweist (das Paar behält die meiste Zeit den Status "1-1" bei), während die M-S-Paare 2 und 3 an einer Warteschlange eine hohe Ankunftsrate, an der anderen Warteschlange jedoch nur eine niedrige Ankunftsrate erreichen (diese Paare behalten die meiste Zeit den Status "0-1" oder "1-0" bei). Die Leistungsfähigkeit von MMPP- Paaren (4 und 5) liegt zwischen der Leistungsfähigkeit des M-S-Paares 1 und der Leistung der Paare 2 und 3. Dies liegt an dem Umstand, dass bei diesen Paaren die Ankunftsrate bisweilen an beiden Warteschlangen hoch ist (wie bei Paar 1), während zu einem anderen Zeitpunkt die Ankunftsrate an einer Warteschlange hoch und an der anderen niedrig ist (wie bei den Paaren 2 und 3). Durch KFP (7) ist der Durchsatzunterschied zwischen dem M-S-Paar 1 (höchster Durchsatz) und den M-S-Paaren 2 und 3 (niedrigster Durchsatz) an eine strenge Gerechtigkeitsvorgabe gebunden. Bei sehr niedrigen Werten für K ist das System besonders gerecht. Für den Fall, dass K = 0 ist, werden alle Verbindungen in gleichem Maße bedient. Zu einem unterschiedlichen Durchsatz kommt es, weil nicht bei allen Verbindungen der Rückstand bestehen bleibt. Durch eine Erhöhung des Wertes für K vergrößert sich zwischen verschiedenen Verbindungen der Unterschied hinsichtlich des Durchsatzes. Diese Zunahme des Durchsatzes verläuft jedoch linear. Infolgedessen ermöglicht die Festlegung eines Wertes für K eine strenge Kontrolle der Ungerechtigkeit in dem System. Eine ähnliche Leistungsfähigkeit der KFP lässt sich für die Durchschnittlichen Verzögerungen und die gesamten Paketverluste feststellen.
Es gilt zu beachten, dass mit der KFP-Methode sehr gute Leistungen erzielt werden, wenn sich alle Ankunftsprozesse wie MMPP verhalten, d. h., wenn sich die Ankunftsraten der Prozesse mit der Zeit ändern. Dieser Zusammenhang wird in Tabelle 3 verdeutlicht. Die in der Tabelle enthaltenen Werte wurden ermittelt, als die verschiedenen Scheduling-Konzepte unter der Voraussetzung verglichen wurden, dass für alle fünf Master-Slave-Paare ein MMPP-Ankunftsprozess an beiden Warteschlangen stattfindet. Für eine Vielzahl von Applikationen wird diese Art der zeitvariierenden Verkehrsverteilung angewandt. Es ist offensichtlich, dass die K-Fairness-Methode aufgrund dieser Verteilungen wesentlich besser umzusetzen ist.
Tabelle 3
Im vorliegenden Dokument wurde eine Scheduling-Methode für das Medienzugangsverfahren in Master-gesteuerten, drahtlosen, picozellularen TDD-Systemen vorgeschlagen. Diese Erfindung beschreibt eine Scheduling-Methode, die einen hohen Systemdurchsatz und Gerechtigkeit zwischen den verschiedenen Verbindungen in einem Master-gesteuerten, drahtlosen TDD-System gewährleistet. Die Methode ist leicht zu implementieren.
Die Erfindung wurde zwar nur anhand einer einzigen bevorzugten Ausführung beschrieben, doch Fachleute werden erkennen, dass die Erfindung im Sinne der im Anhang formulierten Ansprüche mit Änderungen angewandt werden kann.

Claims

Scheduling-Verfahren für ein Master-Slave-System, worin der Master jeweils eine Warteschlange für jeden der zugeordneten Slaves enthält, die zusammen mit einer Warteschlange in dem zugeordneten Slave bedient wird (Warteschlangenpaar), wobei – beide Warteschlangen eines Paares bedient werden, ehe weitere Warteschlangenpaare bedient werden, – die Warteschlangenpaare in Kategorien anhand von Informationen über ihre Größe klassifiziert werden, um Warteschlangenpaare höherer Kategorie mit höherer Priorität bedienen zu können, – anhand von Informationen über den aktuellen und den vergangenen Systemstatus ein Maß für die Ungerechtigkeit der Zuteilungen von Bedienungen der Warteschlangenpaare definiert wird, und das Scheduling-Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Warteschlangenpaar höherer Kategorie nur dann Priorität erhält, wenn vor seiner Bedienung festgestellt wird, dass durch seine Bedienung ein vorgegebener Grenzwert für die maximal zu tolerierende Ungerechtigkeit nach seiner Bedienung nicht überschritten würde.
Scheduling-Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Maß der Ungerechtigkeit die Differenz zweier Parameter Qmin und Qmax ist, wobei Qmin angibt, wie oft das am wenigsten häufig bediente Warteschlangenpaar bedient wurde und Qmax wie oft das am häufigsten bediente Warteschlangenpaar in der Gesamtheit aller Warteschlangenpaare bedient wurde, die bis zum aktuellen Zeitpunkt nicht leer waren (keinen Rückstand hatten).
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Klassifizierung von Warteschlangenpaaren anhand aktueller Systemstatusparameter wie Qmin, Qmax und der momentanen Klassifizierungen der Warteschlangenpaare, der aktuellen Informationen über die Warteschlangen sowie anhand von Systemstatusparametern in der Vergangenheit erfolgt.
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Master und Slaves über eine drahtlose Verbindung in Form von (Daten-)Paketen kommunizieren.
Scheduling-Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Klassifizierung von Warteschlangenpaaren anhand der zu erwartenden Zeitintervallnutzung bei der Verbindung zwischen dem Master und dem jeweiligen Slave erfolgt.
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Klassifizierung von Warteschlangenpaaren auf dem Rückstand von Warteschlangen am Master und am Slave beruht, und eine Warteschlange sich im Rückstand befindet, wenn diese über Pakete verfügt.
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Klassifizierung von Warteschlangenpaaren auf der Größe der vordersten Pakete in den Master- und Slave-Warteschlangen beruht.
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das zudem den Schritt des Aufzeichnens einer übermäßigen oder zu geringen Bedienung von Kategorien aus Warteschlangenpaaren beinhaltet.
Scheduling-Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt der Aufzeichnung durch die Verwendung von Zählern für jedes Warteschlangenpaar ausgeführt wird.
Scheduling-Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Zählerwert bei übermäßiger Bedienung erhöht und bei zu geringer Bedienung vermindert wird.
Scheduling-Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei lediglich Inkremental- und Dekrementaloperationen für die Aktualisierung eines zeitvariablen Parameters K(i) erforderlich Sind, und K(i) die Klassifizierung des Warteschlangenpaares i bezeichnet.
Computer-Programm mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das direkt auf einem Computer geladen werden kann.
Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode umfassend ein Computer-Programm gemäß Anspruch 12.
Master-Slave-System, worin der Master jeweils eine Warteschlange für jeden der zugeordneten Slaves enthält, die zusammen mit einer Warteschlange in dem zugeordneten Slave bedient wird (Warteschlangenpaar), wobei – beide Warteschlangen eines Paares bedient werden, ehe weitere Warteschlangenpaare bedient werden, – die Warteschlangenpaare in Kategorien anhand von Informationen über ihre Größe klassifiziert werden, um Warteschlangenpaare höherer Kategorie mit höherer Priorität bedienen zu können, – anhand von Informationen über den aktuellen und den vergangenen Systemstatus ein Maß für die Ungerechtigkeit der Zuteilungen von Bedienungen der Warteschlangenpaare definiert wird, und das Master-Slave-System dadurch gekennzeichnet ist, dass es Mittel zur Ausführung des Scheduling-Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 enthält.
Master-Slave-System gemäß Anspruch 14, worin Master und Slaves über eine drahtlose Verbindung in Form von (Daten-)Paketen kommunizieren.