DE102005040577A1

DE102005040577A1 - Verfahren zur fehlertoleranten Koordination des Vielfachzugriffs auf ein gemeinsam genutztes Medium

Info

Publication number: DE102005040577A1
Application number: DE200510040577
Authority: DE
Inventors: Rolf Matzner; Peter Eck
Original assignee: BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT WEZA; BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT WEZA PROJEKT TECHNIK GmbH
Current assignee: WEZA PROJEKT TECHNIK GMBH, 22159 HAMBURG, DE
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Zweistufiges Verfahren zur spontanen Koordination des Zugriffs mehrerer Teilnehmer auf ein gemeinsam genutztes Übertragungsmedium, bei dem im ersten Schritt (KF k) die sendewilligen Teilnehmer ihren Sendewunsch anmelden, im zweiten Schritt jeder Teilnehmer aus den empfangenen Sendewünschen (Rf) und dem eigenen Sendewunsch ein Statuswort (Sw) berechnen und senden (KF k + 1), so dass jeder Teilnehmer durch Auswertung aller empfangenen Sw berechnen kann, ob er zum nächstmöglichen Zeitpunkt (DF k + 1) das gemeinsam genutzte Übertragungsmedium belegen darf.

Description

Die Erfindung betrifft ein fehlertolerantes Verfahren zur autonomen Koordination des spontanen Zugriffs mehrerer Teilnehmer auf ein gemeinsam genutztes Übertragungsmedium.
Stand der Technik
In Funknetzen mit mehreren Teilnehmern tritt in der Regel der Fall auf, dass mehr Teilnehmer die gemeinsam genutzte Bandbreite gleichzeitig nutzen wollen, als innerhalb der verfügbaren Bandbreite an Übertragungskapazität zur Verfügung steht. In diesem Fall muss ein Arbitrierungsverfahren entscheiden, welche der sendewilligen Teilnehmer tatsächlich senden dürfen.
Zum Beispiel beim Mobilfunk (GSM, UMTS) wird die Zuordnung der Sprachkanäle zu den einzelnen Teilnehmern durch die Basisstation gesteuert. Die Koordination des Zugriffs erfolgt hierbei also nicht autonom, sondern macht vielmehr eine hierarchisch übergeordnete Instanz – die Basisstation – erforderlich. Dieser Fall wird hier nicht betrachtet.
Soll die Koordination autonom erfolgen, müssen die gleichberechtigten Teilnehmer die Belegung unter sich ausmachen. Bei einem Funknetz mit mehreren mobilen Teilnehmern ist dabei problematisch, dass in bestimmten Situationen die direkte Funkverbindung zwischen einigen Teilnehmern unterbrochen sein kann.
Dieser Fall liegt zum Beispiel bei WLAN vor [1]. Hier findet ein CSMA/CA genanntes Verfahren Verwendung. Hierbei finden zufällige Wartezeiten zwischen Reservierungswunsch und Sendebeginn Anwendung, die den Erfordernissen einer synchronen Übertragung z.B. von Sprachdaten entgegen stehen. Darüber hinaus erfordert die Erweiterung CSMA/CA RTS/CTS die Übermittlung der gewünschten Reservierungsdauer durch den belegenden Teilnehmer, die bei Sprachdaten nicht verfügbar ist.
In [2] ist ein weiteres autonomes Verfahren beschrieben, das die Zuordnung eines Datenkanals zwischen genau einem Sender und einem Empfänger mit Hilfe eines Austausches von Reservierungstoken vornimmt. Dieses Verfahren ist insbesondere für Broadcasting, d.h. das Senden von Information von einem Sender zu vielen bzw. allen anderen Teilnehmern nicht geeignet.
Aus dem Stand der Technik ist kein Verfahren bekannt, das

1. ohne hierarchisch übergeordnete Instanz auskommt,
2. ohne zufällige, nicht-deterministische Wartezeiten auskommt und die Freigabe bzw. Abweisung innerhalb eines festen Intervalls garantiert,
3. Broadcast-fähig ist,
4. robust gegenüber teilweise unterbrochenen Verbindungen bzw. nicht von allen anderen Teilnehmern erreichbaren bzw. sichtbaren Teilnehmern ist, und
5. die Möglichkeit zur Priorisierung bestimmter Teilnehmer ebenso bietet wie eine gleiche Behandlung von Teilnehmern mit gleicher Priorität.

Literatur zum Stand der Technik

[1] „Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance", Wikipedia – Die freie Enzyklopädie, http://de.wikipedia.org/wiki/Carrier_Sense_Multiple_Access_/_Collision_Avoidance
[2] Andrew Muir und J.J. Garcia-Luna-Aceves, „A Channel Access Protocol for Multihop Wireless Networks with Multiple Channels", ICC 1998 – IEEE International Conference on Communications, no. 1, June 1998 pp. 1617–1621

Die Aufgabe besteht darin, K gleichzeitig verfügbare Übertragungskanäle N Teilnehmern zuzuteilen, wobei i.d.R. K < N ist. Die für die Zuteilung erforderlichen Daten (Koordinationsdaten) und die Übertragungskanäle sollen denselben physikalischen Kanal nutzen, i.d.R. also innerhalb desselben Frequenzbandes im Zeitmultiplex-Verfahren übertragen werden.

Das Verfahren soll auch dann funktionieren, wenn

• auf Grund von Störungen Koordinationsdaten bei einigen Empfängern sporadisch nicht ankommen, oder
• auf Grund der geometrischen Situation und der Ausbreitungsbedingungen manche Teilnehmer nicht von allen Teilnehmern erreicht werden können, bzw. manche Teilnehmer nicht alle anderen Teilnehmer erreichen können.

Es können grundsätzlich zwei Arten von Fehlern auftreten:

1. Die Nutzung eines Übertragungskanals wird einem sendewilligen Teilnehmer verweigert, obwohl kein konkurrierender Teilnehmer senden will (Verlust).
2. Zwei oder mehreren Teilnehmern wird die Nutzung eines Übertragungskanals gleichzeitig gestattet (Kollision).

Auch bei hoher Verlustwahrscheinlichkeit einzelner Koordinationsdaten sollen beide Fehlerarten um mehrere Größenordnungen seltener auftreten als der Verlust eines Koordinationsdatenpaketes selbst.

Wirkungsweise der Erfindung

1 zeigt eine beispielweise zeitliche Abfolge von Koordinationsframes KF und Datenframes DF. Jeder Koordinationsframe gliedert sich wiederum in N Koordinationsslots KS. Der KS Nummer n wird vom Teilnehmer n gesendet.

Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, dass jeder KS gleichzeitig eine Reservierungsfunktion und eine Zuteilungsfunktion erfüllt wie folgt:

• Der Teilnehmer n meldet im KF k durch Setzen eines Reservierungsflags Rf seinen Sendewunsch für den übernächsten DF k + 1 an.
• Der Teilnehmer n sendet in einem Statuswort Sw
1. die im vorangehenden KF k – 1 empfangenen Rf's aller anderen Teilnehmer,

oder

2. seine aus den im vorangehenden KF k – 1 empfangenen Rf's berechnete Zuteilung des unmittelbar folgenden DF.

Jeder Teilnehmer, der im KF k einen Sendewunsch angemeldet hat, entscheidet anhand der von den anderen Teilnehmern im KF k + 1 gesendeten Sw sowie aufgrund eigener Berechnung, ob er den DF k + 1 belegen darf.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine beispielhafte Auslegung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Gruppe mit sieben Teilnehmern T1 bis T7, die um die frameweise Belegung von zwei Datenkanälen A und B, die in den Datenframes DFA und DFB übertragen werden, konkurrieren. Koordinationsframes KF und Datenframes DFA und DFB werden zeitlich nacheinander im gleichen Frequenzband übertragen (2). Das Statuswort Sw besteht aus zwei Feldern Sw1 und Sw2 (2).
Den Teilnehmern werden initial bei Beginn der Übertragung Prioritäten zugewiesen, so dass T1 die höchste Priorität P1 und T7 die niedrigste Priorität P7 hat. Mit jedem KF werden die Prioritäten geändert – zum Beispiel rotiert –, so dass innerhalb von sieben KF jeder Teilnehmer einmal jede Priorität innehatte.
Nach dem Empfang der Reservierungsflags Rf aller anderen Teilnehmer (11) und unter Berücksichtigung des eigenen Sendewunsches (10) berechnet jeder Teilnehmer mit Hilfe einer Berechnungseinheit (12) die Felder Sw1 und Sw2 (14) des im darauffolgenden KF zu sendenden Statuswortes wie folgt (3):

• Sw1 enthält von allen Teilnehmern mit gesetztem Rf die Nummer des Teilnehmers mit der höchsten Priorität.
• Sw2 enthält von allen Teilnehmern mit gesetztem Rf die Nummer des Teilnehmers mit der zweithöchsten Priorität.
• Existiert bei der Berechnung von Sw1 oder Sw2 kein Teilnehmer mit gesetztem Rf, wird Sw1 bzw. Sw2 zu Null gesetzt.

Nach dem Empfang der Sw aller anderen Teilnehmer (22) und unter Berücksichtigung des selbst berechneten Sw (21) erzeugt eine Sendefreigabeeinheit (23) bei vorliegendem Sendewunsch (d.h. gesetztem Rf (20) im KS des vorletzten KF) ein Freigabesignal (24), das angibt, ob und, wenn ja, in welchem Datenframe (DFA oder DFB) der Teilnehmer senden darf, wie folgt:

• Alle in Sw1 oder Sw2 genannten, empfangenen oder selbst berechneten Teilnehmernummern werden nach der Häufigkeit ihrer Nennung sortiert.
• Ist die eigene Nummer an Platz 1 dieser Liste (häufigste Nennung), und übersteigt – optional – die Zahl der Nennungen eine Schwelle 1, so wird ein Freigabesignal (24) erzeugt, das dem Teilnehmer die Belegung des unmittelbar folgenden DFA gestattet.
• Ist die eigene Nummer an Platz 2 dieser Liste (zweithäufigste Nennung), und übersteigt – optional – die Zahl der Nennungen eine Schwelle 2, so wird ein Freigabesignal (24) erzeugt, das dem Teilnehmer die Belegung des unmittelbar folgenden DFB gestattet.
• Zur besseren Vermeidung von Kollisionen kann das Freigabesignal im Falle der Position 2 unterdrückt werden, wenn die Position 3 mit gleicher Häufigkeit vorkommt.

Für das beispielhaft dargelegte Verfahren zur Zuweisung der Prioritäten ist es erforderlich, dass alle Teilnehmer synchron die KF's seit Beginn der Übertragung mitzählen. Durch Übertragungsfehler und -störungen kann diese Synchronisation verloren gehen. Um einem Teilnehmer eine erneute Synchronisation zu ermöglichen, wird jeder NS-te KF speziell gekennzeichnet. NS ist vorzugsweise ein Vielfaches der Teilnehmerzahl (hier: 7). Die Kennzeichnung kann erfolgen

• durch ein zusätzliches Flag im Sw
• durch Melden eines unzulässigen Status (z.B. Sw1 = Sw2 ! = 0) und Beibehalten der zuletzt gültigen Belegung der Übertragungskanäle.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in seiner Robustheit gegenüber Störungen durch sporadische Verlust oder dauerhaft unterbrochene Verbindungen zwischen bestimmten Teilnehmern.
Weitere Ausführungsmöglichkeiten
Datenframes DF und Koordinationsframes KF können auch in verschiedenen Frequenzbändern liegen oder mit Hilfe verschiedener Übertragungsverfahren übertragen werden. Ebenso kann ein Koordinationsslot KS beliebig auf verschiedene Frequenzbänder oder Übertragungsverfahren aufgeteilt sein, insbesondere können Kf und Sw getrennt übertragen werden. Ebenso können DF und KF, bzw. innerhalb eines KF die KS der einzelnen Teilnehmer, auch nebenläufig auf parallelen Übertragungskanälen übertragen werden (z.B. mit FDMA oder CDMA), solange die Kausalität in der zeitlichen Abfolge von empfangenen Rf's und berechneten Sw's einerseits sowie der berechneten Priorisierung und dem zu belegenden DF anderseits gewährleistet ist.
Die Zuweisung der Prioritäten zu den Teilnehmern kann so erweitert werden, dass bestimmte Teilnehmer grundsätzlich gegenüber anderen Teilnehmern dauerhaft oder vorübergehend priorisiert sind.
Die Berechnung der eigenen Sendeberechtigung kann dahingehend erweitert werden, dass die Schwellen gemäß den Grundsätzen des Hypothesentests und unter Berücksichtigung des momentanen Betriebszustandes so eingestellt werden, dass vorgegebene Verlust- oder Kollisionswahrscheinlichkeiten unterschritten werden. Der berücksichtigte momentane Betriebszustand kann dabei insbesondere die Zahl der als fehlerhaft erkannten oder überhaupt nicht empfangenen Sw der anderen Teilnehmer beinhalten.
In der Regel ist es sinnvoll, den Inhalt der KS durch fehlerkorrigierende und/oder fehlererkennende Codes gegen Verfälschung zu sichern.

k: beliebiger Zeitpunkt
k – 1: dem Zeitpunkt k vorangehender Zeitpunkt
k + 1: auf den Zeitpunkt k folgender Zeitpunkt
DF: Datenframe
DFA: Datenframe des Übertragungskanals A
DFB: Datenframe des Übertragungskanals B
KF: Koordinationsframe
KS 1: Koordinationsslot des Teilnehmers Nummer 1
KS 2: Koordinationsslot des Teilnehmers Nummer 2
KS N: Koordinationsslot des Teilnehmers Nummer N
Rf: Reservierungsflag
Sw: Statuswort
Sw1: erstes Feld im Statuswort Sw
Sw2: zweites Feld im Statuswort Sw
10: eigenes Reservierungsflag (des betrachteten Teilnehmers)
11: empfangene Rf's und Sw's der anderen Teilnehmer
12: Berechnungseinheit
13: Prioritätsliste
14: berechnete Felder des zu sendenden Statusworts
20: eigenes, zuvor gesendetes Reservierungsflag
21: eigenes aktuelles Rf und Sw
22: empfangene aktuelle Rf's und Sw's der anderen Teilnehmer
23: Sendefreigabeeinheit
24: Freigabesignal

Claims

Verfahren zur Koordination des spontanen Zugriffs mehrerer Teilnehmer auf einen oder mehrere gemeinsam genutzte Übertragungskanäle, wobei a) in einem ersten Schritt zunächst jeder Teilnehmer seinen Sendewunsch sendet, b) in einem zweiten Schritt zu einem späteren Zeitpunkt jeder Teilnehmer einen aus den empfangenen Sendewünschen der anderen Teilnehmer und dem eigenen Sendewunsch berechneten Status sendet, und c) jeder Teilnehmer mit eigenem Sendewunsch anhand der empfangenen Stati sowie des berechneten eigenen Status entscheidet, ob er einen der gemeinsamen benutzten Übertragungskanäle belegen darf.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von jedem Teilnehmer gesendete Status mindestens die vollständige Information über die von den anderen Teilnehmern zuvor empfangenen Sendewünsche enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von jedem Teilnehmer gesendete Status die Information enthält, welcher oder welche Teilnehmer zum nächstmöglichen Zeitpunkt einen oder mehrere der Übertragungskanäle belegen darf bzw. dürfen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung des gesendeten Status jedem Teilnehmer eine zeitlich deterministisch veränderliche Priorität zugewiesen und diese für die Berechnung des Status verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilnehmer für die Entscheidung, ob er zum nächstmöglichen Zeitpunkt einen Übertragungskanal belegen darf, die Mehrheit der zurückgemeldeten Stati der anderen Teilnehmer sowie des eigenen Status heranzieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Teilnehmer Voraussetzung für die Belegung eines Übertragungskanals zum nächstmöglichen Zeitpunkt ist, dass die Anzahl der zurückgemeldeten Stati, die dies gestatten, zuzüglich des eigenen Status, wenn er dies gestattet, eine Schwelle übersteigt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle abhängig vom Betriebszustand, insbesondere abhängig von der Quote der fehlerfrei empfangenen Stati der anderen Teilnehmer dynamisch verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) die momentane Priorisierung deterministisch von der Anzahl der für das Senden von Stati vorgesehenen Zeitintervalle seit dem letzten Synchronisationsintervall abhängt, und b) ein Synchronisationsintervall dadurch ausgezeichnet ist, dass ein Status gesendet wird, der keine zulässige Belegung der Übertragungskanäle repräsentiert.
Anordnung zur Übertragung von Daten aus mehreren Teilnehmern und einen oder mehrere von mehreren Teilnehmern gemeinsam genutzte Übertragungskanäle, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einem ersten Schritt zunächst jeder Teilnehmer seinen Sendewunsch sendet, b) jeder Teilnehmer mit einer Berechnungseinheit versehen ist, die aus den empfangenen Sendewünschen der anderen Teilnehmer und dem eigenen Sendewunsch einen Status berechnet, der in einem zweiten Schritt zu einem späteren Zeitpunkt gesendet wird, und c) jeder Teilnehmer mit einer Sendefreigabeeinheit versehen ist, die bei vorangegangenem eigenem Sendewunsch anhand der empfangenen Stati sowie des berechneten eigenen Status ein Freigabesignal für die Belegung eines der gemeinsamen benutzten Übertragungskanäle erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit aus den empfangenen Sendewünschen und dem eigenen Sendewunsch mit Hilfe einer Prioritätsliste die Nummern jener Teilnehmer bestimmt, die zum nächstmöglichen Zeitpunkt die Übertragungskanäle belegen dürfen, und diese Nummern als Status versendet.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendefreigabeeinheit ein Freigabesignal für das Senden auf einem der K Übertragungskanäle zum nächstmöglichen Zeitpunkt dann generiert, wenn a) zuvor ein eigener Sendewunsch angemeldet worden war, und b) die eigene Teilnehmernummer unter den K am häufigsten vorkommenden der in den Stati zurück gemeldeten und selbst berechneten Teilnehmernummern der für das Senden zuzulassenden Teilnehmer ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erteilung des Freigabesignals die Häufigkeit der eigenen Teilnehmernummer zusätzlich eine Schwelle überschreiten muss.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle dynamisch abhängig vom Betriebszustand, insbesondere abhängig von der Quote der fehlerfrei empfangenen Stati der anderen Teilnehmer dynamisch verändert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prioritätsliste nach einem festgelegten Verfahren in regelmäßigen Abständen verändert wird.