DE10107850A1 - Netzwerk mit einer Anpassung des Modulationsverfahrens - Google Patents
Netzwerk mit einer Anpassung des ModulationsverfahrensInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk mit mehreren Terminals. Ein sendendes Terminal wählt in einem ersten Schritt zu Beginn einer Datenübertragung ein Modulationsverfahren aus, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten wird. In einem zweiten Schritt bestimmt das sendende Terminal die Sendeleistung, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk mit mehreren Terminals, die über ein draht
loses Medium Nachrichten austauschen. Ein solches Netzwerk kann ein Adhoc-Netzwerk
sein, die selbstorganisierend sind und beispielsweise aus mehreren Sub-Netzwerken
bestehen können.
Aus dem Dokument "J. Habetha, A. Hettich, J. Peetz, Y. Du: Central Controller Handover
Procedure for ETSI-BRAN HIPERLAN/2 Ad Hoc Networks and Clustering with Quality
of Service Gurantees, 1st IEEE Annual Workshop an Mobile Ad Hoc Networking &
Computing, Aug. 11, 2000" ist ein Adhoc-Netzwerk mit mehreren Terminals bekannt.
Wenigstens ein Terminal ist als Controller zur Steuerung des Adhoc-Netzwerkes vorge
sehen. Bei einem solchen Netzwerk ist es erwünscht, dass der Energieverbrauch der Ter
minals so gering wie möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Netzwerk zu schaffen, bei welchem
der Energieverbrauch der Terminals verringert wird.
Die Aufgabe wird durch ein Netzwerk der eingangs genannten Art durch folgende
Maßnahmen gelöst:
Das Netzwerk enthält mehrere Terminals, die jeweils als sendendes Terminal zu Beginn einer Datenübertragung
Das Netzwerk enthält mehrere Terminals, die jeweils als sendendes Terminal zu Beginn einer Datenübertragung
- - in einem ersten Schritt zur Auswahl eines Modulationsverfahrens vorgesehen sind, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten oder eine maximal erlaubte Paketverzögerung unterschritten oder ein maximaler Datendurchsatz erzielt wird, und
- - in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Sendeleistung vorgesehen sind, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate oder Paketverzögerung für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
Die Erfindung kann in verschiedenen Mobilfunksystemen, wie UMTS (Universal Mobile
Telecommunications System), HIPERLAN/2, Bluetooth usw. eingesetzt werden.
Besonders geeignet ist die Erfindung für Adhoc-Netzwerke, bei denen die Kommunikation
über mehrere Funkteilstrecken erfolgen kann. Die Adhoc-Netzwerke können dabei ent
weder völlig dezentralisiert oder in Sub-Netzwerke aufgeteilt sein. Innerhalb der Sub-
Netzwerke sind nicht nur die Terminals mobil sondern auch ein als zentraler Controller
(Funktion einer Basisstation) arbeitendes Terminal. Dadurch das bei einem Verbindungs
aufbau eines Terminals in einem ersten Schritt ein Modulationsverfahren ausgewählt wird,
bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine
maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten wird, und anschließend in einem zweiten
Schritt die Sendeleistung bestimmt wird, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate für
das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt, wird ein Quasioptimum
für die Sendeleistung ermittelt. Die maximal erlaubten Paketfehlerrate (Mindest-Paket
fehlerrate) ist dabei so gewählt, dass unter ungünstigsten Bedingungen eine sichere Daten
übertragung gewährleistet ist. Im Gegensatz dazu ist die erwünschte Paketfehlerrate (Ziel-
Paketfehlerrate) von der Art der zu übertragenden Daten (Sprache, Herunterladen einer
Datei, Internet-Daten usw.) abhängig. Hierdurch kann ein quasioptimierter Energiever
brauch für das Terminal erreicht werden. Die erwünschte Paketfehlerrate kann kleiner
oder größer als die maximal erlaubte Paketfehlerrate sein.
Die erwünschte Paketfehlerrate hängt auch von den Anforderungen der Dienste an die
tolerierbare Übertragungsverzögerung ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei Ver
wendung eines Fehlersicherungsprotokolls mit wiederholter Übertragung (engl. Automatic
Repeat Request (ARQ)) eine höhere Paketfehlerrate häufigere Übertragungswieder
holungen und damit eine größere Paketübertragungsdauer bzw. -verzögerung mit sich
bringt. Daher kann anstelle der Paketfehlerrate auch die Paketverzögerung ein Kriterium
sein. Ferner ist auch möglich als Kriterium den Datendurchsatz zu verwenden.
Ein sendendes Terminal ist zur Bestimmung des geschätzten Nutzempfangssignal-zu-
Rauschleistungsverhältnis als die maximale Sendeleistung abzüglich von geschätzten
Pfadverlusten zwischen einem sendenden Terminal und einem empfangenden Terminal
sowie eines Parameters vorgesehen. Die Ermittlung der Pfadverluste gibt Anspruch 3 und
den Anfangswert des Parameters Anspruch 4 an.
Um im zweiten Schritt die Sendeleistung zu bestimmen, sind in einem Terminal zu ver
schiedenen Modulationsverfahren gespeicherte Kurvenwerte für eine Paketfehlerrate in
Abhängigkeit vom Nutzsignal-zu-Rauschleistungsverhältnis gespeichert.
Die Maßnahmen, die bei veränderten Empfangsbedingungen durchgeführt werden
müssen, gibt Anspruch 6 an. Anspruch 7 beschreibt, wie adaptiv der Parameter und die
erwünschte Paketfehlerrate angepasst werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Terminal in einem solchen Netzwerk.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Adhoc-Netzwerk mit drei Sub-Netzwerken, die jeweils zur Funk
übertragung vorgesehene Terminals enthalten,
Fig. 2 ein Terminal des lokalen Netzwerks nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Funkvorrichtung des Terminals nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Ausführung eines zur Verbindung von zwei Sub-Netzwerken
vorgesehenen Brücken-Terminals,
Fig. 5 MAC-Rahmen von zwei Sub-Netzwerken und die MAC-Rahmenstruktur
eines Brückenterminals und
Fig. 6 ein Diagramm mit verschiedenen bestimmten Modulationsverfahren
zugeordneten Kurvenverläufen, welche eine Paketfehlerrate in
Abhängigkeit vom Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis
darstellen.
Das im folgenden dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf Adhoc-Netzwerke, die
im Gegensatz zu traditionellen Netzwerken selbstorganisierend sind. Jedes Terminal in
einem solchen Adhoc-Netzwerk kann einen Zugang zu einem Fest-Netzwerk ermöglichen
und ist sofort einsetzbar. Ein Adhoc-Netzwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Struktur und die Anzahl von Teilnehmern innerhalb vorgegebener Grenzwerte nicht fest
gelegt ist. Beispielsweise kann eine Kommunikationsvorrichtung eines Teilnehmers aus
dem Netzwerk genommen oder eingebunden werden. Im Gegensatz zu traditionellen
Mobilfunknetzen ist ein Adhoc-Netzwerk nicht auf eine fest installierte Infrastruktur
angewiesen.
Die Größe der Fläche des Adhoc-Netzwerks ist in der Regel sehr viel größer als der Über
tragungsbereich von einem Terminal. Eine Kommunikation zwischen zwei Terminals kann
daher die Einschaltung weiterer Terminals erforderlich machen, damit diese Nachrichten
oder Daten zwischen den beiden kommunizierenden Terminals übertragen können. Solche
Adhoc-Netzwerke, bei denen eine Weiterleitung von Nachrichten und Daten über ein
Terminal notwendig ist, werden als Multihop-Adhoc-Netzwerke bezeichnet. Eine mögliche
Organisation eines Adhoc-Netzwerkes besteht darin, regelmäßig Sub-Netzwerke oder
Cluster zu bilden. Ein Sub-Netzwerk des Adhoc-Netzwerks kann beispielsweise durch
über Funkstrecken verbundene Terminals von um einen Tisch sitzenden Teilnehmern
gebildet werden. Solche Terminals können z. B. Kommunikationsvorrichtungen zum
drahtlosen Austausch von Dokumenten, Bildern usw. sein.
Es lassen sich zwei Typen von Adhoc-Netzwerken angeben. Das sind dezentralisierte und
zentralisierte Adhoc-Netzwerke. In einem dezentralisierten Adhoc-Netzwerk ist die Kom
munikation zwischen den Terminals dezentralisiert, d. h. jedes Terminal kann mit jedem
anderen Terminal unter der Voraussetzung direkt kommunizieren, dass die Terminals
jeweils in dem Übertragungsbereich des anderen Terminals liegen. Der Vorteil eines
dezentralisierten Adhoc-Netzwerks ist dessen Einfachheit und Robustheit gegen Fehler. Bei
einem zentralisierten Adhoc-Netzwerk werden bestimmte Funktionen, wie z. B. die
Funktion des Mehrfachzugriffs eines Terminals zum Funkübertragungsmedium (Medium
Access Control = MAC) von einem bestimmten Terminal pro Sub-Netzwerk gesteuert.
Dieses Terminal wird als zentrales Terminal oder zentraler Controller (Central Controller
= CC) bezeichnet. Diese Funktionen müssen nicht immer von demselben Terminal
ausgeführt werden, sondern können von einem als zentraler Controller arbeitenden
Terminal zu einem anderen dann als zentraler Controller agierenden Terminal übergeben
werden. Der Vorteil eines zentralen Adhoc-Netzwerks ist, dass in diesem auf einfache Art
eine Vereinbarung über die Dienstgüte (Quality of Service = QoS) möglich ist. Ein
Beispiel für ein zentralisiertes Adhoc-Netzwerk ist ein Netzwerk, welches nach der
HIPERLAN/2 Home Environment Extension (HEE) organisiert ist (vgl. J. Habetha,
A. Hettich, J. Peetz, Y. Du, "Central Controller Handover Procedure for ETSI-BRAN
HIPERLAN/2 Ad Hoc Networks and Clustering with Quality of Service Gurantees", 1st
IEEE Annual Workshop on Mobile Ad Hoc Networking & Computing, Aug. 11, 2000).
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Adhoc-Netzwerks mit drei Sub-Netzwerken 1
bis 3 dargestellt, die jeweils mehrere Terminals 4 bis 16 enthalten. Bestandteil des Sub-
Netzwerks 1 sind die Terminals 4 bis 9, des Sub-Netzwerks 2 die Terminals 4 und 10 bis
12 und des Sub-Netzwerks 3 die Terminals 5 und 13 bis 16. In einem Sub-Netzwerk
tauschen die jeweils zu einem Sub-Netzwerk gehörenden Terminals Daten über Funk
strecken aus. Die in Fig. 1 eingezeichneten Ellipsen geben den Funkbereich eines Sub-
Netzwerks (1 bis 3) an, in dem zwischen den zu dem Sub-Netzwerk gehörenden Terminals
eine weitgehend problemlose Funkübertragung möglich ist.
Die Terminals 4 und 5 werden Brücken-Terminals genannt, weil diese einen Datenaus
tausch zwischen zwei Sub-Netzwerken 1 und 2 bzw. 1 und 3 ermöglichen. Das Brücken-
Terminal 4 ist für den Datenverkehr zwischen den Sub-Netzwerken 1 und 2 und das
Brücken-Terminal 5 für den Datenverkehr zwischen den Sub-Netzwerken 1 und 3
zuständig.
Ein Terminal 4 bis 16 des lokalen Netzwerks nach Fig. 1 kann eine mobile oder feste
Kommunikationsvorrichtung sein und enthält beispielsweise mindestens eine Station 17,
eine Verbindungskontrollvorrichtung 18 und eine Funkvorrichtung 19 mit Antenne 20,
wie dies Fig. 2 zeigt. Eine Station 17 kann beispielsweise ein tragbarer Computer, Fern
sprecher usw. sein.
Eine Funkvorrichtung 19 der Terminals 6 bis 16 enthält, wie Fig. 3 zeigt, außer der An
tenne 20 eine Hochfrequenzschaltung 21, ein Modem 22 und eine Protokollvorrichtung
23. Die Protokollvorrichtung 23 bildet aus dem von der Verbindungskontrollvorrichtung
18 empfangenen Datenstrom Paketeinheiten. Eine Paketeinheit enthält Teile des Daten
stroms und zusätzliche von der Protokollvorrichtung 23 gebildete Steuerinformationen.
Die Protokollvorrichtung verwendet Protokolle für die LLC-Schicht (LLC = Logical Link
Control) und die MAC-Schicht (MAC = Medium Access Control). Die MAC-Schicht
steuert den Mehrfachzugriff eines Terminals zum Funkübertragungsmedium und die
LLC-Schicht führt eine Fluss- und Fehlerkontrolle durch.
Wie oben erwähnt, ist in einem Sub-Netzwerk 1 bis 3 eines zentralisierten Adhoc-Netz
werks ein bestimmtes Terminal zuständig für die Kontroll- und Managementfunktionen
und wird als zentraler Controller bezeichnet. Der Controller arbeitet außerdem als norma
les Terminal im zugehörigen Sub-Netzwerk. Der Controller ist z. B. für die Registrierung
von Terminals, die den Betrieb im Sub-Netzwerk aufnehmen, für den Verbindungsaufbau
zwischen wenigstens zwei Terminals im Funkübertragungsmedium, für die Resourcenver
waltung und für die Zugriffssteuerung im Funkübertragungsmedium zuständig. So erhält
beispielsweise ein Terminal eines Sub-Netzwerks nach der Registrierung und nach der
Anmeldung eines Übertragungswunsches vom Controller Übertragungskapazität für Daten
(Paketeinheiten) zugewiesen.
In dem Adhoc-Netzwerk können die Daten zwischen den Terminals nach einem TDMA-,
FDMA- oder CDMA-Verfahren (TDMA = Time Division Multiplex Access, FDMA =
Frequency Division Multiplex Access, CDMA = Code Division Multiplex Access) ausge
tauscht werden. Die Verfahren können auch kombiniert werden. Jedem Sub-Netzwerk 1
bis 3 des lokalen Netzwerks sind eine Anzahl von bestimmten Kanälen zugeordnet, die als
Kanalbündel bezeichnet werden. Ein Kanal ist durch einen Frequenzbereich, einen
Zeitbereich und z. B. beim CDMA-Verfahren durch einen Spreizungscode bestimmt.
Beispielsweise kann jedem Sub-Netzwerk 1 bis 3 zum Datenaustausch ein bestimmter,
jeweils unterschiedlicher Frequenzbereich mit einer Trägerfrequenz fi zur Verfügung
stehen. In einem solchen Frequenzbereich können beispielsweise Daten mittels des
TDMA-Verfahrens übertragen werden. Dabei kann dem Sub-Netzwerk 1 die Träger
frequenz f1, dem Sub-Netzwerk 2 die Trägerfrequenz f2 und dem Sub-Netzwerk 3 die
Trägerfrequenz f3 zugewiesen werden. Das Brücken-Terminal 4 arbeitet einerseits, um mit
den anderen Terminals des Sub-Netzwerks 1 einen Datenaustausch durchführen zu
können, mit der Trägerfrequenz f1 und andererseits, um mit den anderen Terminals des
Sub-Netzwerks 2 einen Datenaustausch durchführen zu können, mit der Trägerfrequenz
f2. Das zweite im lokalen Netzwerk enthaltene Brücken-Terminal 5, welches Daten
zwischen den Sub-Netzwerken 1 und 3 überträgt, arbeitet mit den Trägerfrequenzen f1
und f3.
Wie oben ausgeführt, hat der zentrale Controller beispielsweise die Funktion der Zugriffs
steuerung. Das bedeutet, dass der zentrale Controller für die Bildung von Rahmen der
MAC-Schicht (MAC-Rahmen) verantwortlich ist. Hierbei wird das TDMA-Verfahren
angewendet. Ein solcher MAC-Rahmen weist verschiedene Kanäle für Steuerinformati
onen und Nutzdaten auf.
Ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Brücken-Terminals ist in Fig. 4 darge
stellt. Die Funkschaltvorrichtung dieses Brücken-Terminals enthält jeweils eine Protokoll
vorrichtung 24, ein Modem 25 und eine Hochfrequenzschaltung 26 mit Antenne 27. Mit
der Protokollvorrichtung 24 ist eine Funkschaltvorrichtung 28 verbunden, die des weiteren
an eine Verbindungskontrollvorrichtung 29 und einer Zwischenspeichervorrichtung 30
angeschlossen ist. Die Zwischenspeichervorrichtung 30 enthält in dieser Ausführungsform
ein Speicherelement und dient zur Zwischenspeicherung von Daten und ist als FIFO-
Baustein realisiert (First In First Out), d. h. die Daten werden in der Reihenfolge aus der
Zwischenspeichervorrichtung 30 gelesen, in der sie eingeschrieben worden sind. Das in
Fig. 4 dargestellte Terminal kann ebenfalls als normales Terminal arbeiten. An die
Verbindungskontrollvorrichtung 29 angeschlossene Stationen, die nicht in Fig. 4 einge
zeichnet sind, liefern dann über die Verbindungskontrollvorrichtung 29 Daten zur
Funkschaltvorrichtung 28.
Das Brücken-Terminal nach der Fig. 4 ist abwechselnd mit einem ersten und zweiten Sub-
Netzwerk synchronisiert. Unter Synchronisation wird der gesamte Prozess der Einbindung
eines Terminals im Sub-Netzwerks bis zum Austausch von Daten verstanden. Wenn das
Brücken-Terminal mit dem ersten Sub-Netzwerk synchronisiert ist, kann es Daten mit
allen Terminals und mit dem Controller dieses ersten Sub-Netzwerks austauschen. Werden
von der Verbindungskontrollvorrichtung 29 Daten an die Funkschaltvorrichtung 28
geliefert, deren Bestimmungsort ein Terminal oder der Controller des ersten Sub-
Netzwerks oder ein Terminal oder Controller eines anderen Sub-Netzwerks ist, die über
das erste Sub-Netzwerk zu erreichen sind, leitet die Funkschaltvorrichtung diese Daten
direkt an die Protokollvorrichtung 24 weiter. In der Protokollvorrichtung 24 werden die
Daten solange zwischengespeichert, bis der vom Controller bestimmte Zeitabschnitt für die
Übertragung erreicht ist. Wenn die von der Verbindungskontrollvorrichtung 29
ausgegebenen Daten zu einem Terminal oder dem Controller des zweiten Sub-Netzwerks
oder zu einem anderen über das zweite Sub-Netzwerk zu erreichenden Sub-Netzwerk
gesendet werden soll, muss die Funkübertragung bis zu dem Zeitabschnitt verzögert
werden, in dem das Brücken-Terminal mit dem zweiten Sub-Netzwerk synchronisiert ist.
Daher leitet die Funkschaltvorrichtung die Daten, deren Bestimmungsort im zweiten Sub-
Netzwerk liegt oder deren Bestimmungsort über das zweite Sub-Netzwerk zu erreichen ist,
zu der Zwischenspeichervorrichtung 30, welche die Daten solange zwischenspeichert, bis
das Brücken-Terminal mit dem zweiten Sub-Netzwerk synchronisiert ist.
Wenn Daten von einem Terminal oder dem Controller des ersten Sub-Netzwerks vom
Brücken-Terminal empfangen werden und deren Bestimmungsort ein Terminal oder der
Controller des zweiten Sub-Netzwerks oder ein Terminal oder Controller eines anderen
über das zweite Sub-Netzwerk zu erreichenden Sub-Netzwerks ist, werden diese Daten
ebenfalls bis zur Synchronisation mit dem zweiten Sub-Netzwerk in der Zwischenspeicher
vorrichtung 30 abgelegt. Daten, deren Bestimmungsort eine Station des Brücken-
Terminals ist, werden direkt über die Funkschaltvorrichtung 28 zur Verbindungskontroll
vorrichtung 29 gegeben, die dann die empfangenen Daten zu der gewünschten Station
leitet. Daten, deren Bestimmungsort weder eine Station des Brücken-Terminals noch ein
Terminal oder Controller des zweiten Sub-Netzwerks ist, werden beispielsweise zu einem
weiteren Brücken-Terminal gesendet.
Nach dem Synchronisationswechsel des Brücken-Terminals vom ersten zum zweiten Sub-
Netzwerk werden die in der Zwischenspeichervorrichtung 30 befindlichen Daten in der
Einschreibreihenfolge wieder aus der Zwischenspeichervorrichtung 30 gelesen.
Anschließend können während der Dauer der Synchronisation des Brücken-Terminals mit
dem zweiten Sub-Netzwerk alle Daten, deren Bestimmungsort ein Terminal oder der
Controller des zweiten Sub-Netzwerks oder ein anderes über das zweite Sub-Netzwerk zu
erreichende Sub-Netzwerk ist, sofort von der Funkschaltvorrichtung 28 zur Protokoll
vorrichtung 24 weitergegeben und nur die Daten, deren Bestimmungsort ein Terminal
oder der Controller des ersten Sub-Netzwerks oder ein anderes über das erste Sub-Netz
werk zu erreichende Sub-Netzwerk ist, in der Zwischenspeichervorrichtung 30 gespeichert
werden.
Die MAC-Rahmen von zwei Sub-Netzwerken SN1 und SN2 sind in der Regel nicht
synchronisiert. Daher ist ein Brücken-Terminal BT mit einem Sub-Netzwerk SN1 oder
SN2 nicht nur während einer Umschaltzeit Ts sondern auch während einer Wartezeit Tw
nicht verbunden. Dies lässt sich aus Fig. 5 entnehmen, welche eine Folge von MAC-
Rahmen der Sub-Netzwerke SN1 und SN2 und die MAC-Rahmenstruktur des Brücken-
Terminals BT zeigt. Die Umschaltzeit Ts ist diejenige Zeit, die erforderlich ist, damit das
Brücken-Terminal sich mit einem Sub-Netzwerk synchronisieren kann. Die Wartezeit Tw
gibt die Zeit zwischen dem Ende der Synchronisation mit dem Sub-Netzwerk und dem
Beginn eines neuen MAC-Rahmens dieses Sub-Netzwerks an.
Unter der Annahme, dass das Brücken-Terminal BT nur jeweils für die Dauer eines MAC-
Rahmens mit einem Sub-Netzwerk SN 1 oder SN2 verbunden ist, weist das Brücken-
Terminal BT nur eine Kanalkapazität von 1/4 der verfügbaren Kanalkapazität eines Sub-
Netzwerks auf. In dem anderen extremen Fall, dass das Brückenterminal BT für eine
längere Zeit mit einem Sub-Netzwerk verbunden ist, beträgt die Kanalkapazität die Hälfte
der verfügbaren Kanalkapazität eines Sub-Netzwerks.
Wie oben beschrieben, enthält jedes Sub-Netzwerk einen zentralen Controller zur Steue
rung des zugeordneten Sub-Netzwerks. Bei der Inbetriebnahme eines Sub-Netzwerks muss
sichergestellt werden, dass nur ein Terminal die Funktion des zentralen Controllers über
nimmt. Es sei vorausgesetzt, dass nicht jedes Terminal die Funktion des zentralen Con
trollers übernehmen kann. Es wird zur Bestimmung eines zentralen Controllers beispiels
weise so vorgegangen, dass jedes Terminal, welches eine Controller-Funktion übernehmen
kann, prüft, ob in ihrem Empfangsbereich ein anderes Terminal ist, welches die Con
troller-Funktion ausführen kann. Ist dies der Fall, stellt das detektierende Terminal fest,
dass es nicht Controller wird. Führen alle anderen Terminals ebenfalls diese Überprü
fungen durch, bleibt am Ende ein Terminal über, welches kein anderes Terminal mit einer
Controller-Funktion detektiert und somit die Controller-Funktion übernimmt.
Die in dem Netzwerk über Funkstrecken zu übertragenden Signale werden zuvor nach
einem bestimmten digitalen Modulationsverfahren moduliert. Mögliche Modulations
verfahren sind beispielsweise BPSK (binäre Phasentastung), QPSK (Quaternäre Phasen
tastung), 16 QAM (16-Quadraturamplitudenmodulation) und 64 QAM. Die zu modu
lierenden Signale werden vor der Modulation beispielsweise mittels eines punktierten
Faltungscodes codiert. Hierbei können z. B. Coderaten von 3/4 oder 9/16 verwendet
werden.
Beim Aufbau einer Verbindung zwischen einem sendenden Terminal und einem oder
mehreren empfangenden Terminals wird erfindungsgemäß nach einer im folgenden
beschriebenen Methode in Abhängigkeit von den Empfangsbedingungen adaptiv ein
geeignetes Modulationsverfahren und eine geeignete Sendeleistung bestimmt.
Zu Beginn einer Übertragung (Schritt 1) wird von einem sendenden Terminal zunächst
ein Modulationsverfahren festgelegt bzw. ausgewählt. Dies geschieht dadurch, dass anhand
von gespeicherten Kurvenwerten in einer Tabelle (bzw. Speicher) im sendenden Terminal
(vgl. Fig. 6) welche die Paketfehlerrate (PER = Packet Error Rate) in Abhängigkeit vom
Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis (C/I) für verschiedene Modulations
verfahren darstellen, das Modulationsverfahren ausgewählt wird, das bei einem geschätzten
Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest eine Mindestpaketfehlerrate
(maximal erlaubte Paketfehlerrate) von beispielsweise 0.01 unterschreitet. Das Nutz
empfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest wird zuvor geschätzt als die maximale
Sendeleistung Tx abzüglich der geschätzten Pfadverluste Lp zwischen einem sendenden
Terminal und einem empfangenden Terminal sowie eines adaptiven Parameters AMM
(Adaptive Modulation Margin):
C/Iest = Tx - Lp - AMM
Für den Parameter AMM wird beim Verbindungsaufbau ein festzulegender Initialwert
(von bspw. 0 dB) angenommen. Die Pfadverluste Lp werden durch den Austausch von
Leistungssteuerungs-Nachrichten zwischen sendendem Terminal und empfangenden
Terminal (während des Verbindungsaufbaus) ermittelt. Hierbei wird ein sowohl dem
sendenden als auch dem empfangenden Terminal bekanntes Modulationsverfahren und ein
bestimmter dafür vorgesehener Kanal verwendet. Die Leistungssteuerungs-Nachrichten
werden mit maximaler Sendeleistung ausgestrahlt, wodurch die Pfadverluste vom
empfangenden Terminal anhand der Empfangsleistung geschätzt werden können.
Beträgt beispielsweise das geschätzte Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis
C/Iest = 26,5 dB, so wird im ersten Schritt gemäß Fig. 6, die verschiedene beispielhafte
Kurvenwerte für ausgesuchte Modulationsverfahren zeigt, das Modulationsverfahren
16 QAM mit einer Codierungsrate von 3/4 ausgewählt.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt die notwendige bzw. optimale Sendeleistung
bestimmt. Hierbei wird zunächst ein Initialwert für eine Ziel-Paketfehlerrate (erwünschte
Paketfehlerrate) PER0 festgelegt (vgl. Fig. 6). Im Gegensatz zur fest vorgegebenen Mindest-
Paketfehlerrate (oder maximal erlaubten Paketfehlerrate), die so gewählt ist, dass unter
ungünstigsten Bedingungen eine sichere Datenübertragung gewährleistet ist, ist die Ziel-
Paketfehlerrate (oder erwünschten Paketfehlerrate) von der Art der zu übertragenden
Daten (Sprache, Herunterladen einer Datei, Internet-Daten usw.) abhängig. Da das
Modulationsverfahren im vorherigen Schritt bereits festgelegt worden ist, wird dann
anhand der für dieses Modulationsverfahren abgespeicherten Kurvenwerte (vgl. Fig. 6) das
für die Ziel-Paketfehlerrate PER0 notwendige Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungs
verhältnis C/Ireq ausgelesen. Die Sendeleistung, die diesem Nutzempfangssignal-zu-
Rauschleistungsverhältnis C/Ireq bei der Ziel-Paketfehlerrate PER0 entspricht, wird im
folgenden als PPER0 bezeichnet. Die Ziel-Paketfehlerrate PPER0 ergibt sich aus dem Nutz
empfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Ireq mittels der Beziehung
PPER0 = C/Ireq + Lp + AMM
Die Pfadverluste Lp sind im ersten Schritt anhand der ausgetauschten Leistungssteuerungs-
Nachrichten geschätzt worden. Die Übertragung der Daten wird nun mit der Sende
leistung P = min(Pmax, PPER0) gestartet. Dabei stellt Pmax die maximal zulässige Sendeleistung
dar, die beispielsweise behördlich erlaubt ist.
Im Beispiel zum ersten Schritt ist für das geschätzte Nutzempfangssignal-zu-Rausch
leistungsverhältnis C/Iest = 26,5 dB das Modulationsverfahren 16 QAM mit einer
Codierungsrate von 3/4 selektiert worden. Der Schnittpunkt der Kurve des Modulations
verfahrens 16 QAM mit einer Codierungsrate von 3/4 mit der Ziel-Paketfehlerrate PER0
liegt bei dem Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Ireq = 23,5 dB. Es ist also
eine Sendeleistungsreduzierung von 3 dB beim zweiten Schritt gegenüber dem ersten
Schritt erreicht worden.
Während der laufenden Verbindung können sich aufgrund von Änderungen der
Empfangsbedingungen (Hindernisse, Wetter, andere statistische Einflüsse, Mobilität der
Terminals, etc.) Veränderungen der Pfadverluste bzw. der Empfangsleistung ergeben. In
diesem Fall werden in einem dritten Schritt der erste und zweite Schritte erneut durch
laufen, wobei die beiden Parameter AMM und PER0 dabei nicht neu initialisiert, sondern
die bisherigen Werte beibehalten werden. Alternativ kann der dritte Schritt in periodischen
Abständen angewendet werden.
Die beiden Parameter AMM und PER0 können ferner in einem weiteren, vierten Schritt
adaptiv verändert werden. Zu diesem Zweck wird periodisch eine Anpassung der Para
meter AMM und PER0 auf Basis von Leistungskenngrößen des Systembetriebs vorge
nommen. Als Leistungskenngrößen können jeweils alternativ oder in Kombination
folgende Größen verwendet werden: "Prozentsatz erfolgreicher Verbindungsaufbau
versuche", "Kehrwert der durchschnittlichen Paketfehlerrate im Netz", "Kehrwert der
durchschnittlichen Paket-Verzögerung im Netz", "Durchsatz des Gesamtsystems",
"Kehrwert der Anzahl Verbindungsabbrüche". Diese Anpassung kann in den gleichen oder
größeren zeitlichen Abständen als die Anpassung nach dem dritten Schritt erfolgen. Es
wird die folgende Regelung zur Veränderung der beiden Parameter AMM und PER0
angewendet, wobei LKi den Wert einer Leistungskenngröße in einem bestimmten Zeit
abschnitt (oder Periode) ti mit i = 0, 1, 2, . . . bezeichnet:
Zuerst wird eine Anpassung des Parameters AMM durchgeführt:
WENN LKi ≧ LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erhöht;
WENN LKi ≧ LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erniedrigt wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erniedrigt;
WENN LKi < LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erniedrigt;
WENN LKi < LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erhöht.
Zuerst wird eine Anpassung des Parameters AMM durchgeführt:
WENN LKi ≧ LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erhöht;
WENN LKi ≧ LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erniedrigt wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erniedrigt;
WENN LKi < LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erniedrigt;
WENN LKi < LKi-1 UND am Ende von ti-1 AMM erhöht wurde,
DANN wird AMM um 1 dB erhöht.
Anschließend erfolgt eine Anpassung des Parameters PER0 (beispielhaft auf Basis der
Leistungskenngröße "durchschnittliche Paketfehlerrate im Gesamtnetz" PERav):
WENN PERav,i ≦ PERav,i-1 DANN wird PER0 durch 0,9 dividiert;
WENN PERav,i < PERav,i-1 DANN wird PER0 mit 0,9 multipliziert.
WENN PERav,i ≦ PERav,i-1 DANN wird PER0 durch 0,9 dividiert;
WENN PERav,i < PERav,i-1 DANN wird PER0 mit 0,9 multipliziert.
Es können statt der beschriebenen einfachen Regelung auch Regelungen höherer Ordnung
oder Regelungstechniken, wie Kalman-Filter oder Fuzzy-Regler, verwendet werden.
Die Regelung erfolgt im obigem Beispiel derart, dass beide Parameter unabhängig vonein
ander neu eingestellt werden. Es sind jedoch auch abhängige Regelungen denkbar. Das
bedeutet, dass nicht zuerst der Parameter AMM und dann der Parameter PER0 eingestellt
werden, sondern dass jeweils der Parameter AMM und dann der Parameter PER0
gemeinsam erhöht werden.
Alternativ zur Paketfehlerrate PER können die abgespeicherten Kurvenwerte auch die
Abhängigkeit der durchschnittlichen Paketverzögerung oder des Durchsatzes vom Nutz
empfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis (C/I) darstellen. Es wird zunächst die Ver
wendung der Paketverzögerung und anschließend die Verwendung des Durchsatzes
beschrieben.
Bei Verwendung der durchschnittlichen Paketverzögerung wird in Abhängigkeit vom
Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis (C/I) für verschiedene Modulations
verfahren das Modulationsverfahren ausgewählt, das bei einem geschätzten Nutzempfangs
signal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest eine feste Mindestverzögerung unterschreitet.
Das geschätzte Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest wird wie zuvor
beschrieben ermittelt, wobei auch der Parameter AMM verwendet wird.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt die notwendige bzw. optimale Sendeleistung
bestimmt. Hierbei wird zunächst ein Initialwert für eine durchschnittliche Ziel-Verzöge
rung (erwünschte Paketverzögerung) T0 festgelegt, die von der Art der zu übertragenden
Daten (Sprache, Herunterladen einer Datei, Internet-Daten usw.) abhängig ist. Da das
Modulationsverfahren im vorherigen Schritt bereits festgelegt worden ist, wird dann
anhand der für dieses Modulationsverfahren abgespeicherten Kurvenwerte das für die Ziel-
Verzögerung T0 notwendige Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Ireq
ausgelesen.
Die beiden Parameter AMM und T0 werden, wie bei Verwendung der Paketfehlerrate
PER, während des Netzbetriebes anhand von Leistungsgrößen optimiert. Die Adaptierung
des Parameters AMM ist identisch zu der zuvor beschriebenen Prozedur. Anschließend
erfolgt eine Anpassung des Parameters T0 (beispielhaft auf Basis der Leistungskenngröße
"durchschnittliche Paketverzögerung im Gesamtnetz" Tav):
WENN Tav,i ≦ Tav,i-1 DANN wird T0 durch 0,9 dividiert;
WENN Tav,i < Tav,i-1 DANN wird T0 mit 0,9 multipliziert.
WENN Tav,i ≦ Tav,i-1 DANN wird T0 durch 0,9 dividiert;
WENN Tav,i < Tav,i-1 DANN wird T0 mit 0,9 multipliziert.
Es können für diesen Prozess beliebige Leistungsgrößen herangezogen werden (Beispiels
weise kann für die Anpassung des Parameters T0 wie zuvor für die Anpassung des Para
meters PER0 die durchschnittliche Paketfehlerrate im Gesamtnetz gewählt werden).
Bei Verwendung des Durchsatzes anstelle der Paketfehlerrate wird in Abhängigkeit vom
Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis (C/I) für verschiedene Modulations
verfahren das Modulationsverfahren ausgewählt, das bei einem geschätzten Nutzempfangs
signal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest den maximalen Durchsatz liefert. Das geschätzte
Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis C/Iest wird wie zuvor beschrieben
ermittelt, wobei auch der Parameter AMM verwendet wird.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt die notwendige bzw. optimale Sendeleistung
bestimmt. Die Ermittlung der optimalen Sendeleistung bei festliegendem Modulations
verfahren erfolgt mit einem der beiden zuvor beschriebenen Verfahren entweder auf Basis
der Paketfehlerrate (und dem Parameter PER0) oder auf Basis der durchschnittlichen
Paketverzögerung (und dem Parameter T0).
Die Parameter AMM und PER0 bzw. T0 werden, wie zuvor beschrieben, während des
Netzbetriebes anhand von Leistungsgrößen optimiert.
Claims (8)
1. Netzwerk mit mehreren Terminals, die jeweils als sendendes Terminal zu Beginn einer
Datenübertragung
in einem ersten Schritt zur Auswahl eines Modulationsverfahrens vorgesehen sind, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten oder eine maximal erlaubte Paketverzögerung unterschritten oder ein maximaler Datendurchsatz erzielt wird, und
in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Sendeleistung vorgesehen sind, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate oder Paketverzögerung für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
in einem ersten Schritt zur Auswahl eines Modulationsverfahrens vorgesehen sind, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten oder eine maximal erlaubte Paketverzögerung unterschritten oder ein maximaler Datendurchsatz erzielt wird, und
in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Sendeleistung vorgesehen sind, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate oder Paketverzögerung für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
2. Netzwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein sendendes Terminal zur Bestimmung des geschätzten Nutzempfangssignal-zu-
Rauschleistungsverhältnis als die maximale Sendeleistung abzüglich von geschätzten
Pfadverlusten zwischen einem sendenden Terminal und einem empfangenden Terminal
sowie eines Parameters vorgesehen ist.
3. Netzwerk nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein sendendes Terminal zum Austausch von Leistungssteuerungs-Nachrichten mit
einem empfangenden Terminal und zur Ermittlung der Pfadverluste anhand der vom
empfangenden Terminal zurückgesendeten Leistungssteuerungs-Nachrichten vorgesehen
ist.
4. Netzwerk nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Terminal den Parameter beim Verbindungsaufbau zu Null setzt.
5. Netzwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Terminal zu verschiedenen Modulationsverfahren gespeicherte Kurvenwerte für
eine Paketfehlerrate, eine Paketverzögerung oder einen Datendurchsatz in Abhängigkeit
vom Nutzsignal-zu-Rauschleistungsverhältnis enthält.
6. Netzwerk nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein sendendes Terminal entweder aufgrund veränderter Empfangsbedingungen oder
periodisch erneut zur Durchführung des ersten und zweiten Schritts zur Bestimmung eines
Modulationsverfahrens und einer Sendeleistung vorgesehen ist.
7. Netzwerk nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in bestimmten Abständen ein sendendes Terminal zur Anpassung des Parameters und
der erwünschten Paketfehlerrate oder Paketverzögerung anhand von Leistungsgrößen
vorgesehen ist.
8. Terminal in einem Netzwerk mit mehreren weiteren Terminals, das als sendendes
Terminal zu Beginn einer Datenübertragung
in einem ersten Schritt zur Auswahl eines Modulationsverfahrens vorgesehen sind, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten oder eine maximal erlaubte Paketverzögerung unterschritten oder ein maximaler Datendurchsatz erzielt wird, und
in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Sendeleistung vorgesehen sind, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate oder Paketverzögerung für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
in einem ersten Schritt zur Auswahl eines Modulationsverfahrens vorgesehen sind, bei welchem für ein geschätztes Nutzempfangssignal-zu-Rauschleistungsverhältnis eine maximal erlaubte Paketfehlerrate unterschritten oder eine maximal erlaubte Paketverzögerung unterschritten oder ein maximaler Datendurchsatz erzielt wird, und
in einem zweiten Schritt zur Bestimmung der Sendeleistung vorgesehen sind, die sich für eine erwünschte Paketfehlerrate oder Paketverzögerung für das im ersten Schritt ausgewählte Modulationsverfahren ergibt.
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