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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen, insbesondere in Aeronautischen Mesh-Netzen.
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1 zeigt eine Verteilung von Flugzeugen im Bereich der Nordatlantik-Interkontinentalroute. Die Grundidee besteht darin, Datenpakete von einer Bodenstation an diejenigen Flugzeuge zu übertragen, die sich noch in Reichweite der Bodenstation befinden. Die Datenpakete werden dann von einem Flugzeug zum anderen zu dem jeweiligen Zielflugzeug übertragen, in welchem die Daten empfangen werden sollen. Entsprechendes gilt in umgekehrter Richtung für das drahtlose Übertragen von Datenpaketen aus einem Flugzeug an eine Bodenstation, die sich außerhalb der direkten Reichweite des Flugzeugs befindet. Eine mögliche Anwendung ist der Internetzugang für Passagiere im ozeanischen Luftraum, als günstigere Alternative gegenüber aktuellen satellitengestützten „Inflight Internet” Systemen (z. B., Lufthansa FlyNet).
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Wie durch die Sende-/Empfangskeulen in 1 an den mit Kreisen gekennzeichneten Bodenstationen dargestellt ist, ist jeder Netzwerkknoten (Flugzeug oder Bodenstation) in der Lage, eine Richtfunkverbindung mit verschiedenen Nachbarknoten herzustellen. Die Richtfunkverbindung ermöglicht eine große Reichweite und vermeidet eine Interferenz mit anderen Netzwerkknoten.
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Jeder Netzwerkknoten i ist mit einem Warteschlangenspeicher Qij pro ausgehender Funkverbindung zu einem Nachbarknoten j versehen. In dem Warteschlangenspeicher werden die zur Übertragung anstehenden Datenpakete zwischengespeichert, bis eine Übertragung erfolgen kann.
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Positionsinformationen, die durch GPS oder andere satellitengestützte Navigationssysteme zur Verfügung gestellt werden, können für eine positionsbasierte Weiterleitung von Datenpaketen von einem Quellnetzwerkknoten zu einem Zielnetzwerkknoten verwendet werden. Sogenannte geografische Routing-Algorithmen werden in großen Netzwerken eingesetzt, wobei jedes Datenpaket die Position seines Ziels enthält. Dazwischenliegende Netzwerkknoten können das Datenpaket anhand der relativen Position ihrer Nachbarknoten in Bezug auf den Zielnetzwerkknoten weiterleiten. Hierbei ist ein Austausch von räumlichen Positionen zwischen Nachbarknoten erforderlich.
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Bei einem der bekannten Verfahren, dem in G. G. Finn, „Routing and addressing problems in large metropolitan-scale internetworks”, ISI Research Report ISU/RR-87-180 (March, 1987) beschriebenen „Greedy”-Verfahren, werden die Datenpakete an den Nachbarknoten übermittelt, welcher dem zu erreichenden Ziel am nächsten ist. Es wird also zum einen anhand von GPS-Daten die räumliche Entfernung zu dem Zielnetzwerkknoten und die räumliche Entfernung jedes der Nachbarknoten zu dem Zielnetzwerkknoten ermittelt. Das Datenpaket wird an denjenigen der Nachbarknoten übermittelt, bei dem die Differenz der zuvor ermittelten Entfernungen maximal ist.
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Eine Schwierigkeit besteht bei diesem Verfahren darin, dass die Datenpakete vor der Übertragung zu einem Nachbarknoten zunächst in dem entsprechenden Warteschlangenspeicher des weiterleitenden Netzwerkknotens zwischengespeichert werden. Da zur Übertragung der Datenpakete nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung steht, kann die in dem Warteschlangenspeicher zwischengespeicherte Datenmenge die übertragbare Datenmenge übersteigen und im Extremfall gehen Daten im Falle eines überfüllten Warteschlangenspeichers verloren.
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KARP, B. et al.: ”Greedy Perimeters Stateless Routing for Wireless Networks”, Proceedings of the 6th Annual ACM/IEEE International Conference an Mobile Computing and Networking (MobiCom 2000) und KORDAFSHARI, M. S. et al.: ”Energy-Efficient SPEED Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, 2009 Fifth Advanced International Conference an Telecommunications, IEEE, Conference Proceedings Articles, XP031473447 beschreiben Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen zu einem Zielknoten in einem Netzwerk mit mobilen Netzwerkknoten unter Berücksichtigung des erzielten Vorstoßes in Richtung des Zielknotens.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Übertragung von Datenpaketen und zur Verteilung von Datenverkehrslast in einem solchen aeronautischen Mesh-Netz zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1.
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Demnach wird ein zu übertragendes Datenpaket in Richtung des Zielnetzwerkknotens an denjenigen der Nachbarknoten gesendet, bei dem die Vorstoßgeschwindigkeit in Richtung des Zielknotens maximal ist. Das heißt mit anderen Worten, dass nicht nur lediglich die räumliche Entfernung zu dem Zielknoten das Kriterium für die Entscheidung ist, an welchen der Nachbarknoten ein Datenpaket übertragen wird. Vielmehr wird die Entscheidung anhand der Vorstoßgeschwindigkeit getroffen, also der vermuteten Geschwindigkeit, mit welcher das Datenpaket bei einer Übertragung zu einem Nachbarknoten dem Zielknoten nähergebracht wird. Während die räumliche Annäherung zum Zielknoten keine Aussage über die Geschwindigkeit erlaubt, mit welcher sich ein Datenpaket dem Zielknoten nähert, kann bei einer Entscheidung anhand der Vorstoßgeschwindigkeit in Richtung des Zielknotens die Übertragungsdauer von Daten zum Zielknoten reduziert werden.
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Als Vorstoßgeschwindigkeit wird vorzugsweise das Verhältnis zwischen dem räumlichen Vorstoß, also der räumlichen Annäherung in Richtung des Zielknotens und der Warteschlangenlänge des jeweiligen Warteschlangenspeichers zum Nachbarknoten angesehen. Das Datenpaket wird also an denjenigen der Nachbarknoten übertragen, bei dem der räumliche Vorstoß in Richtung des Zielknotens gegenüber der Warteschlangenlänge des Warteschlangenspeichers zum jeweiligen Nachbarknotens relativ groß ist. Dies hat zur Folge, dass ein Datenpaket auch an einen solchen Nachbarknoten übertragen wird, bei dem zwar der räumliche Vorstoß zum Zielknoten relativ gering ist, jedoch die zu erwartende Vorstoßgeschwindigkeit aufgrund der geringen Warteschlangenlänge des jeweiligen Warteschlangenspeichers besonders groß ist. Das Problem einer Verzögerung durch den Füllgrad von Warteschlangenspeichern zu den Nachbarknoten und insbesondere das Problem von überfüllten Warteschlangenspeichern kann auf diese Weise vermieden werden.
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Als Vorstoß wird vorzugsweise die Differenz zwischen den räumlichen Distanzen des weiterleitenden Netzwerkknotens zu dem Zielknoten und des jeweils benachbarten Netzwerkknotens zu dem Zielknoten verwendet.
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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2 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Datenübertragung zwischen Flugzeugen („air-to-air (A2A) packet forwarding”),
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3 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Datenübertragung zwischen Bodenstationen und Flugzeugen („ground-to-air (G2A) packet forwarding”), und
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4 eine schematische Darstellung der Zuweisung von Flugzeugen zu einer Bodenstation.
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2 zeigt in schematischer Darstellung die durch die jeweiligen Flugzeuge gebildeten Netzwerkknoten in Form von Punkten. Der Netzwerkknoten m ist der Zielknoten (z. B. ein anderes Flugzeug oder eine Bodenstation), an den ein Datenpaket von dem weiterleitenden Flugzeug i zu übertragen ist. Der Kreis mit Mittelpunkt i und Radius ri veranschaulicht hierbei die Funkreichweite der Richtfunkantennen des zugehörigen Flugzeugs. j und k sind jeweils Nachbarflugzeuge von Flugzeug i, die grundsätzlich für die Datenübertragung in Richtung des Zielknotens m geeignet sind.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Entscheidung, an welchen der beiden Netzwerkknoten j, k das Datenpaket zu übertragen ist, anhand der Vorstoßgeschwindigkeit, die das Datenpaket bei der Übertragung in Richtung des Zielknotens m erfährt. Die Vorstoßgeschwindigkeit wird wie folgt berechnet: Zunächst wird der bei Übertragen zu einem benachbarten Netzwerkknoten erzielte Vorstoß berechnet. Der Vorstoß xk bei Übertragen eines Datenpakets von dem Netzwerkknoten i zu dem Netzwerkknoten k ist die Differenz der räumlichen Entfernungen zwischen den Knoten i und m und zwischen den Knoten k und m, xk = δim – δkm.
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Nach dem „Greedy”-Verfahren wird lediglich der erzielte Vorstoß bei Übertragen des Datenpakets an einen Nachbarknoten als Kriterium für die Entscheidung herangezogen, zu welchem der Nachbarknoten ein Datenpaket in Richtung des Zielknotens übertragen wird. Jedoch kann der Fall eintreten, dass der Warteschlangenspeicher des weiterleitenden Netzwerkknotens zu dem Nachbarknoten mit dem größten Vorstoß gefüllt ist oder zumindest einen solchen Füllgrad aufweist, dass der Warteschlangenspeicher die Datenübertragung verzögert oder gar blockiert.
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Der Warteschlangenspeicher Q
ik für den Netzwerkknoten k ist in
2 schematisch als Behälter mit einem Füllstrich dargestellt und der Warteschlangenspeicher Q
ij für den Netzwerkknoten j ist in
2 schematisch als Behälter mit sechs Füllstrichen dargestellt. Bei übertragen des Datenpakets an den Netzwerkknoten j würde das Datenpaket durch den Warteschlangenspeicher Q
ij demnach länger aufgehalten werden als bei Übertragung an den Netzwerkknoten k. Um das Problem gefüllter Warteschlangenspeicher bei der Entscheidung zu berücksichtigen, an welchen Netzwerkknoten das Datenpaket übertragen wird, wird nach Bestimmen des zu erzielenden Vorstoßes für einen betreffenden Netzwerkknoten die Warteschlangenlänge berücksichtigt. Die Warteschlangenlänge n
k ist durch die Anzahl der Datenpakete in dem betreffenden Warteschlangenspeicher Q
ik. Das Datenpaket wird dann an denjenigen Netzwerkknoten übertragen, für den die Vorstoßgeschwindigkeit v
k maximal ist. Für den Netzwerkknoten k wird die Vorstoßgeschwindigkeit berechnet als
Da für den Netzwerkknoten j das Verhältnis aus dessen Warteschlangenlänge n
j und dem zugehörigen Vorstoß x
j deutlich größer ist als das entsprechende Verhältnis für den Knoten k aus n
k und dem Vorstoß x
k ist die Vorstoßgeschwindigkeit in Richtung des Zielknotens m für den Knoten k deutlich größer als für den Knoten j, obwohl der Vorstoß in Richtung des Zielknotens m für den Knoten k deutlich geringer wäre als für den Knoten j.
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Im Ergebnis wird das Datenpaket also zu dem Knoten k übertragen, obwohl dieser weiter vom Zielknoten m entfernt ist als der Knoten j, weil der Warteschlangenspeicher Qik einen deutlich geringeren Füllgrad aufweist als der Warteschlangenspeicher
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Erfindungsgemäß wird also das Verhältnis zwischen Vorstoß in Richtung des Zielknotens und Verzögerung durch den Warteschlangenspeicher gebildet als Vorstoßgeschwindigkeit, die es zu maximieren gilt. Der von dem Knoten i aus gesehen positive Vorstoß ist als grau hinterlegter Bereich in dem Kreis gemäß 2 dargestellt. Von jedem Netzwerkknoten aus wird der nächste Übertragungssprung (”Hop”) also ausgehend von der größten Vorstoßgeschwindigkeit in Richtung des Zielknotens ausgewählt.
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Wenn der Zielknoten m ein direkter Nachbarknoten des weiterleitenden Netzwerkknotens i ist, wird das Datenpaket direkt von dem Knoten i an den Zielknoten m übertragen.
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3 zeigt die Weiterleitung von Datenpaketen von einer ortsgebundenen Bodenstation i in Form eines Internetgateways (IGW) in Richtung eines Zielnetzwerkknotens m. r
G ist der maximale Sende-/Empfangsradius der Bodenstation h. Die zu maximierende Vorstoßgeschwindigkeit ist hierbei
Auf diese Weise erzielen sämtliche Flugzeuge/Netzwerkknoten innerhalb der Reichweite der Bodenstation i eine positive Vorstoßgeschwindigkeit, das heißt auch diejenigen Netzwerkknoten, die weiter von dem Zielnetzwerkknoten m entfernt sind als die Bodenstation i.
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4 zeigt die initiale Zuordnung von Flugzeugen zu der jeweils geografisch nächstgelegenen Bodenstation. Die gepunkteten Linien in 4 zeigen die geografischen Grenzen der Zuweisung eines Flugzeugs zu einer jeweiligen Bodenstation nach dem Voronoi-Diagramm an. Die Bodenstationen sind hierbei durch Kreise markiert. Jede Voronoi-Zelle repräsentiert den Bereich, innerhalb welchem sämtliche Netzwerkknoten die kürzeste Entfernung zu der jeweiligen Bodenstation der Zelle aufweisen.
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Ziel ist es, das Datenverkehrsaufkommen derart auf die Bodenstationen (Internetgateway) aufzuteilen, dass unnötige Datenauslastung (Congestion) bei einer Bodenstation vermieden wird, während andere Bodenstationen überschüssige Kapazitäten aufweisen. Dies wird durch ein zentralisiertes Bodenstationsübergabemanagement erzielt, welches die derzeitigen geografischen Koordinaten jedes mobilen Netzwerkknotens kennt und welches das Maß für die Datenauslastung (Congestion) Ωh jedes Internetgateways h kennt.
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Die Datenauslastung wird hierbei durch die maximale durchschnittliche Warteschlangenlänge sämtlicher Warteschlangenspeicher an der Bodenstation h bestimmt durch die Formel
wobei h die Bodenstation, l der jeweils betroffene Netzwerkknoten, N
h die Menge aller mobilen Netzwerkknoten innerhalb der Reichweite der Bodenstation h und
Q ^hl die durchschnittliche Warteschlangenlänge des Wartechlangenspeichers Q
hl sind.
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Für jedes Flugzeug m wird die Auslastungsentfernung (Congestion Distance) zu dem Internetgateway h als Δhm = δhm(1 + Ωh) definiert.
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Die Übergabestrategie arbeitet hierbei wie folgt: Alle t Sekunden (Übergabeperiode) berechnet der Internetgateway-Übergabemanager für jedes Flugzeug m, welches derzeit mit dem Internetgateway h verbunden ist, dessen derzeitige Auslastungsentfernung Δ
hm. Zudem wird dasjenige Internetgateway h' ermittelt, dessen Auslastungsentfernung minimal ist, das heißt dasjenige Internetgateway mit
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Falls h' gleich h für alle m, ist keine Übergabe erforderlich. Andernfalls wird dasjenige Flugzeug m' mit dem größten metrischen Verhältnis
eine Übergabe von dem Internetgateway h zu dem Internetgateway h' vollziehen. Das Übergabeverfahren prüft also in regelmäßigen Abständen, ob ein Flugzeug eine kürzere Auslastungsentfernung (Congestion Distance) zu einer Bodenstation erzielen kann, unter Berücksichtigung der derzeitigen geografischen Verteilung der mobilen Netzwerkknoten und der derzeitigen Auslastungssituation an sämtlichen Bodenstationen. Wenn jedes Flugzeug derjenigen Bodenstation mit der minimalen Auslastungsentfernung (Congestion Distance) zugeordnet ist, ist keine Übergabe erforderlich. Andernfalls wird dasjenige Flugzeug, welches am meisten von einer Übergabe profitiert, das heißt welches das größte metrische Verhältnis
besitzt, eine Übergabe zu der Bodenstation mit minimaler Auslastungsentfernung (Congestion Distance) vollziehen.
besitzt, eine Übergabe zu der Bodenstation mit minimaler Auslastungsentfernung (Congestion Distance) vollziehen.
