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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Downlink-Kommunikation zwischen
einem RNC (Radio Network Controller) und Node-Bs in einem Netzwerk,
insbesondere in einem RAN (Radio Access Network) in UMTS, wobei
zwischen dem RNC und den einzelnen Node-Bs mindestens ein Router
zum Weiterleiten von Paketen angeordnet ist, wobei einige der Verbindungen
zwischen den Node-Bs und den zugehörigen Routern einen Engpass-Link
bilden, wobei die von dem RNC zu versendenden Pakete unter Berücksichtigung
einer prioritätsabhängigen Zeitfensteranforderung
vor dem Absenden am RNC verzögert
werden können,
und wobei an dem RNC für
jeden Engpass-Link eine virtuelle Warteschlange bereitgestellt wird
und bei der Steuerung der virtuellen Warteschlangen zwischen den
Prioritäten
der zu sendenden Pakete differenziert wird.
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Verfahren
der hier in Rede stehenden Art sind aus der Praxis bekannt und werden
in Abhängigkeit
der jeweiligen Gegebenheiten in unterschiedlichen Arten implementiert.
An die Kommunikation zwischen einem RNC und den Node-Bs in UMTS-RANs
werden dabei im Allgemeinen spezielle Anforderungen gestellt. Insbesondere
legen diese Anforderungen fest, dass die Zeit, die von dem Augenblick
an verstreicht, in dem ein Paket den RNC verlässt, bis das Paket den Ziel-Node-B
erreicht, geringer sein muss, als eine bestimmte Zeitfenstergrenze.
Pakete, die diese Anforderungen nicht erfüllen, d.h. den Node-B erst
erreichen, wenn die maximal zur Verfügung stehende Zeit bereits
verstrichen ist, werden verworfen. Dabei sei angenommen, dass das Radio-Frame-MAC-Protokoll
für einen
zu sendenden Frame unmittelbar vor Verlassen des RNC ausgeführt wird.
Aus diesem Grund beginnen die Zeitfensteranforderungen zum Zeitpunkt
des Absendens des Frames zu zählen.
Das spezifische Merkmal der Downlink-Kommunikation besteht darin, dass Pakete vor
Verlassen des RNC und unter Berücksichtigung der
Zeitfensteranforderung verzögert
werden können.
Eine Verzögerung
nach Verlassen des RNC ist hingegen nicht möglich.
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Bei
den bekannten Standard-Queuing-Mechanismen ist nachteilig, dass
in dem typischen Fall, in dem der Engpass-Link an dem Last-Mile-Link
zwischen dem letzten Router und dem Node-B vorliegt, der RNC den
Engpass-Link durch Auffüllen
des korrespondierenden Puffers in dem letzten Router leicht überfüllen kann.
Wenn der Puffer derart dimensioniert ist, dass die Wartezeit größer sein
kann als das Zeitfenster, so werden in einer Überlastsituation, in der alle
Pakete an dem Puffer ankommen, wenn dieser bereits nahezu voll ist,
alle Pakete erst nach Überschreiten
ihrer Zeitgrenze an ihrem Bestimmungsort ankommen und folglich verworfen.
Zur Umgehung dieses Problems müssen
die Puffer derart groß dimensioniert
sein, dass die beschriebene Situation möglichst nicht auftreten kann.
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Zu
den bekannten Verfahren zur Steuerung der Downlink-Kommunikation
zwischen einem RNC und Node-Bs zählt
das sog. Prioritäts-Scheduling des
Routers. Die Prioritätsebenen
der zu sendenden Pakete werden dabei beispielsweise in Abhängigkeit vom
Protokolltyp oder der jeweiligen Anwendung gewählt. So wird elastischen Anwendungen
wie E-Mail, ftp oder dergleichen, die sich an die zur Verfügung stehenden
Ressourcen anpassen können,
im Allgemeinen eine niedrige Priorität zugeordnet, wohingegen insbesondere
Realzeitanwendungen, wie beispielsweise Audiokonferenzen oder VoIP (Voice-over-IP)-Anwendungen,
eine hohe Priorität zugewiesen
wird. Die Bereitstellung verzögerungsempfindlicher
Pakete mit geringeren Verzögerungen als
verzögerungsunempfindliche
Pakete wird im Allgemeinen dadurch erreicht, dass man die Pakete
mit einer Prioritätssteuerung
steuert. Problematisch ist dabei jedoch, dass Pakete mit niedrigerer
Priorität nur
selektiert werden, falls keine Pakete mit höherer Priorität existieren.
Das bedeutet, dass im Falle einer Überlast Pakete mit niedriger
Priorität
ihren Bestimmungsort sehr wahrscheinlich mit einer Verzögerung erreichen,
die größer ist
als ihr Zeitfenster, was dazu führt,
dass diese Pakete verworfen werden. Dies hat sowohl an dem Engpass-Link
als auch an der Luftschnittstelle eine nutzlos verbrauchte Bandbreite
zur Folge.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren, das eine Alternative zur oben beschriebenen
Prioritätssteuerung
darstellt und die Bereitstellung von Verzögerungsgarantien bezüglich aller
Pakete ermöglicht,
ist das WRR (Weighted Round Robin)-Verfahren. Bei diesem Verfahren
wird unter Bereitstellung eines größeren Gewichts auf einen Verkehr
mit hoher Priorität sichergestellt,
dass im Falle einer Überlast
Pakete mit niedriger Priorität
verworfen werden, während
die Verzögerungsanforderungen
für beide
Prioritäten
erfüllt
sind. Nachteilig ist hierbei, dass beim WRR-Verfahren die gelockerten
Verzögerungsanforderungen verzögerungsunempfindlicher
Pakete nicht ausgenutzt werden, da solche Pakete verworfen anstatt verzögert werden,
wenn sie ihre Zeitgrenze nicht einhalten. Darüber hinaus macht das Verfahren keinen wirksamen
Gebrauch von der Luftschnittstelle, da die verworfenen Paketen entsprechenden
Slots ungenutzt bleiben.
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Aus
der
DE 102 04 616
A1 ist für
sich gesehen ein Verfahren zur Übertragung
von Datenpaketen verschiedener Verkehrsklassen über eine Verbindung zwischen
zwei Knoten eines Kommunikationssystems bekannt, wobei jeder Verkehrsklasse
für die Übertragung
eine Priorität
zugewiesen wird. Darüber hinaus
wird jedem Datenpaket eine von einer der jeweiligen Verkehrsklasse
zugeordneten Verzögerungszeit
abhängige
Sendezeit zugewiesen. Für
jede Verkehrsklasse ist eine Warteschlange vorgesehen, in der die
Datenpakete und die zugehörigen
Sendezeiten der jeweiligen Verkehrsklasse gespeichert werden.
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In „MEDF – A Simple
Scheduling Algorithm for Two Real-Time Transport Service Classes
with Application in the UTRAN",
M. Menth, M. Schmid, H. Heiß,
in IEEE, März–April 2003,
S. 1116–1122,
ist ebenfalls ein Scheduling-Verfahren mit Warteschlangenbildung
offenbart. Das Verfahren stellt eine Modifikation des Earliest Deadline
First (EDF)-Algorithmus dar, wobei Pakete in Warteschlangen entsprechend
ihrer Transport-Dienst-Klasse (TSC) in FIFO Art gespeichert werden.
Jedem Paket wird eine modifizierte Deadline zugewiesen, die der
Ankunftszeit zuzüglich
einer klassenspezifischen Offset-Zeit entspricht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der gattungsbildenden Art zur Steuerung der Downlink-Kommunikation
zwischen einem RNC und Node-Bs in einem Netzwerk derart auszugestalten
und weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln eine hohe Effizienz
bei der Verwendung der Engpass-Links
sowie eine hohe Qualität
der Datenverkehrsflüsse
realisiert ist und die Anforderungen an die Speicherkapazität der Datenpuffer
im RNC reduziert sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
der gattungsbildenden Art löst
die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs
1. Danach ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
die Pakete vom RNC zum entsprechenden Node-B gesendet werden, wobei
auf dem Pfad von dem RNC zu dem Node-B der Status der Puffer aller
Router berücksichtigt
wird.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt
worden, dass eine Implementierung, bei der alle Pakete in den internen
Puffern des RNC gehalten werden, eine enorme Speicherkapazität der Datenpuffer
des RNC erfordert. Alternativ hierzu wird in erfindungsgemäßer Weise
vorgeschlagen, dass die Pakete in das Netzwerk gesendet werden,
wobei der Status der Puffer sämtlicher
Router auf dem Pfad/den Pfaden von dem RNC zu dem Node-B verfolgt
wird. Aufgrund der Verfolgung des Status dieser Puffer weiß der RNC,
ob eine Paketübertragung
eine Verzögerung, die
größer ist
als das Zeitfenster, zur Folge haben wird. Entsprechend können die
Paketübertragungen gesteuert
werden. Eine derartige Implementierung bietet auf Kosten einer erhöhten Komplexität des Algorithmus,
der die Übertragungen
steuert, den Vorteil geringerer Speicheranforderungen an die Datenpuffer
im RNC im Vergleich zu einer Implementierung, bei der alle Pakete
in den internen Puffern des RNC gehalten werden.
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In
einer besonders bevorzugten Implementierung kann die virtuelle Warteschlange
in zwei Unterwarteschlangen aufgeteilt werden, und zwar eine Unterwarteschlange
für Pakete
hoher Priorität
und die andere Unterwarteschlange für Pakete niedriger Priorität. Die Differenzierung
besteht dann in der Art der Steuerung der Übertragungen der Pakete dieser beiden
Unterwarteschlangen. In die Klasse hoher Priorität mit strengen Verzögerungsanforderungen fallen
beispielsweise Sprachdaten, wohingegen in die Klasse niedriger Priorität ohne Verzögerungsanforderungen
beispielsweise E-Mail-Daten eingeteilt werden. Insbesondere für Pakete
hoher Priorität kann
garantiert werden, dass eine Verzögerung zwischen dem RNC und
dem Node-B geringer ist als ein bestimmter Maximalwert DHP. Diese maximale Verzögerung ist ein konfigurierbarer
Parameter des Systems.
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Im
Rahmen einer konkreten Ausführung
ist vorgesehen, dass die virtuelle Warteschlange mit einer Rate
geleert wird, die der Kapazität
des entsprechenden Engpass-Links entspricht. Mit anderen Worten
wird die Rate, mit der die virtuelle Warteschlange geleert wird,
derart ausgelegt, dass der Puffer des Engpass-Links nicht weiter
gefüllt
wird, als es die durch die Zeitfensteranforderung vorgegebene Grenze
vorgibt. Dadurch wird gewährleistet,
dass der Puffer an dem Engpass-Link immer leer sein wird, d. h. die
Warteschlangenverzögerungen
werden gleich 0 sein.
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Aus
diesem Grund werden sich Verzögerungen,
die größer sind
als das Zeitfenster, niemals ergeben.
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Zur
Erfüllung
der Anforderung, dass Pakete hoher Priorität eine Verzögerung erfahren, die nicht größer ist
als DHP, kann vorgesehen sein, dass die Hochpriorität-Unterwarteschlange
der virtuellen Warteschlange entsprechend dimensioniert wird. Die Größe der Unterwarteschlange
bestimmt sich dann als das Produkt aus DHP und
der Kapazität
des Engpass-Links Cb, bei dem die virtuelle
Warteschlange geleert wird. Jedes Paket hoher Priorität, das ankommt,
wenn seine Unterwarteschlange schon voll ist, wird verworfen, da
die Verzögerungsgarantien
für dieses
Paket nicht erfüllt
werden können.
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Um
zu vermeiden, dass Pakete hoher Priorität verworfen werden müssen, kann
für Pakete
hoher Priorität
eine Zugangskontrolle durchgeführt
werden, um die Menge an Paketen hoher Priorität zu limitieren, die in das
Netzwerk eintreten.
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Die
Kommunikation innerhalb des RANs kann auf IP (Internet Protocol)-Basis
durchgeführt werden.
Alternativ ist auch die Anwendung eines ATM-basierten Transports
denkbar.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit
der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines typischen UMTS-RAN,
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2 eine
schematische Darstellung einer Prioritätssteuerung des Routers in
einem UMTS-RAN,
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3 eine
schematische Darstellung einer WRR-Steuerung des Routers in einem
UMTS-RAN,
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4 eine
schematische Darstellung einer Implementierung einer RNC-Steuerung mit virtuellen Warteschlangen,
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5 eine
schematische Darstellung einer virtuellen Warteschlange mit zwei
Unterwarteschlangen,
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6 ein
Flussdiagramm eines Algorithmus zur Leerung der virtuellen Warteschlangen
und
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7 ein
Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Algorithmus
zur Leerung der virtuellen Warteschlange.
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1 zeigt – schematisch – den typischen Aufbau
eines UMTS-RANs. Zwischen einem RNC 1 und Node-Bs 2,
von denen nur einer dargestellt ist, ist ein Router 3 zum
Weiterleiten von Paketen angeordnet. An den Last-Mile-Link zwischen
dem Router 3 und dem Node-B 2 liegt ein Engpass-Link 4 vor.
Der Einfachheit halber ist in dem Pfad vom RNC 1 zum Node-B 2 lediglich
ein Engpass-Link 4 vorgesehen, und es wird angenommen,
dass dieser Link 4 nur durch einen RNC 1 verwendet
wird.
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2 zeigt
denselben Netzwerkaufbau wie in 1, wobei
gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Am
Router 3 ist schematisch die Zeitsteuerung der vom RNC 1 ankommenden
Pakete mittels einer Prioritätssteuerung (PS)
angedeutet. 3 zeigt erneut denselben Netzwerkaufbau,
wobei die Zeitsteuerung der Pakete am Router 3 anstelle
einer Prioritätssteuerung
mittels Weighted Round Robin (WRR) angedeutet ist.
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4 zeigt
schematisch eine Implementierung einer RNC-Steuerung mit virtuellen
Warteschlangen. Der RNC 1 sendet Pakete zu zwei Routern 3,
welche die Pakete jeweils über
einen Engpass-Link 4 an einen Node-B 2 weiterleiten.
Jeder der Engpass-Router 3 steuert Pakete in einer First-in-First-out-Weise,
wobei ihre Puffer derart dimensioniert sind, dass ankommende Pakete
selbst bei vollem Puffer niemals eine Verzögerung erfahren, die größer ist
als ihr Zeitfenster. An dem RNC 1 sind zwei virtuelle Warteschlangen 5 bereitgehalten,
wobei jede Warteschlange 5 einem Engpass-Link 4 zugeordnet
ist. Jede der virtuellen Warteschlangen 5 an dem RNC 1 wird
so gesteuert, dass zwischen den Verzögerungsprioritäten differenziert
wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die Differenzierung mittels einer Prioritätssteuerung (PS) durchgeführt. Die
virtuellen Warteschlangen 5 werden mit einer derartigen
Rate geleert, dass die Puffer der Engpass-Links 4 nicht
weiter gefüllt
werden, als es die Grenze vorgibt, die durch die Zeitfensteranforderung
vorgegeben ist.
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Geht
man von einem einfachen Szenario aus, bei dem lediglich zwischen
zwei Prioritäten
differenziert wird, nämlich
einer Klasse hoher Priorität
mit strengen Verzögerungsanforderungen
(beispielsweise Sprache) und einer Klasse niedriger Priorität ohne Verzögerungsanforderungen
(beispielsweise Daten), so bietet sich die in 4 gezeigte
Aufteilung der Warteschlangen 5 in jeweils zwei Unterwarteschlagen 6 an.
In die eine Unterwarteschlange 6 werden Pakete hoher Priorität und in
die andere Unterwarteschlange 6 Pakete niedriger Priorität einsortiert.
Die Differenzierung besteht in der Art der Steuerung der Übertragungen
der Pakete der beiden Unterwarteschlangen 6.
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5 zeigt
vergrößert eine
virtuelle Warteschlange 5 mit zwei Unterwarteschlangen 7, 8,
wobei die virtuelle Warteschlange 5 so gesteuert wird,
dass zwischen den Verzögerungsprioritäten mittels
einer Prioritätssteuerung
(PS) differenziert wird. Die obere Unterwarteschlange 7 ist
für Pakete
hoher Priorität bestimmt.
Damit kein Paket hoher Priorität
eine Verzögerung
erfährt,
die größer ist
als eine maximale Verzögerung
DHP, sollte die Hochpriorität-Unterwarteschlange 7 der
virtuellen Warteschlange 5 entsprechend dimensioniert sein.
Die Größe der Hochpriorität-Unterwarteschlange 7 ist
daher als das Produkt von DHP und Cb festgelegt, wobei Cb die
Kapazität
des Engpass-Links 4 ist, bei dem die virtuelle Warteschlange 5 geleert
wird.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Leerung der virtuellen Warteschlange 5. Für jedes
zu sendende Paket wird zunächst
geprüft, ob
es sich um ein Paket hoher Priorität handelt. Ist dies der Fall,
so wird das Paket gesendet und sodann eine Zeitdauer I/Cb gewartet, bevor das nächste Paket gesendet wird.
I bezeichnet dabei die Paketlänge. Handelt
es sich nicht um ein Paket hoher Priorität, so wird in einem nächsten Schritt
geprüft,
ob es sich um ein Paket niedriger Priorität handelt. Ist dies der Fall, so
wird das Paket gesendet und wiederum eine Zeitdauer I/Cb gewartet,
bevor das nächste
Paket gesendet wird. Handelt es sich dagegen nicht um ein Paket niedriger
Priorität,
so wird auf die Ankunft eines neuen Pakets gewartet.
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7 zeigt
ein weiteres Flussdiagramm eines Algorithmus zur Leerung der virtuellen
Warteschlange 5. Im Gegensatz zu dem in 6 gezeigten Beispiel
bezieht sich das Flussdiagramm aus 7 auf eine
Implementierung, bei der nicht alle Pakete in den internen Puffern
des RNC 1 gehalten werden, sondern stattdessen in das Netzwerk
gesendet werden, wobei der Status sämtlicher Puffer in dem Pfad von
dem RNC 1 zu dem Node-B 2 verfolgt wird. Der Steueralgorithmus
prüft zuerst,
ob Pakete in der Hochpriorität
(HP)-Warteschlange 7 vorliegen. Für den Fall, dass Pakete zu übertragen
sind, wird die an dem RNC 1 verfügbare deterministische Information verwendet,
um zu überprüfen, ob
das HP-Paket die Bedingung erfüllt,
dass die Verzögerung
nicht größer ist
als DHP. Wenn das Ergebnis positiv ist,
wird eine zweite Prüfung
durchgeführt,
um zu garantieren, dass das Paket an dem Node-B 2 mit einer
Verzögerung
ankommt, die nicht größer ist
als sein Zeitfenster. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, wird das Paket übertragen,
falls nur die erste Bedingung erfüllt ist, wird die Paketübertragung
verzögert,
andernfalls wird das Paket verworfen.
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Sobald
die HP-Warteschlange 7 leer ist, wird eine ähnliche
Prozedur für
die Niedrigpriorität (LP)-Unterwarteschlange 8 durchgeführt. Falls
die erwartete Verzögerung
des Pakets nicht größer ist als
ein Zeitfenster, wird das Paket übertragen,
andernfalls wird das Paket verzögert.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass keine Niedrigpriorität (LP)-Datenpakete
verworfen werden, da sie keine Verzögerungsanforderungen haben.
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Abschließend sei
ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten
Ausführungsbeispiele
lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese
jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.