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Gebiet
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Die Erfindung betrifft Kommunikationssysteme, in denen Sender um den Zugang zu einem Übertragungsmedium konkurrieren.
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Hintergrund
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Die 802.11-Normen des Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) beschäftigen sich mit Systemen, in denen eine Anzahl von Stationen (STA) konkurriert, um Kommunikationen über die Ressourcen eines Zugangspunkts (AP) auszuführen. In diesem Zusammenhang spezifizieren die IEEE-802.11-Normen eine Medienzugangssteuerungs-Unterschicht ("medium access control sub-layer" – "MAC"), die ein Medienzugangsschema auf der Grundlage eines Vielfachzugriffs mit Trägerabfrage und Kollisionsvermeidung ("carrier sense multiple access with collision avoidance" – CSMA/CA) ist. Wenn die Anzahl der um das Medium konkurrierenden STA sehr hoch ist, gibt es eine hohe Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, und das Spektrum wird durch die fehlgeschlagenen Übertragungen verschwendet. Der Netzdurchsatz und die Paketübertragungsverzögerung werden drastisch verschlechtert.
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Es gibt einige Techniken, die dieses Problem möglicherweise lösen können. Einige von ihnen beruhen auf einem zentral geplanten Medienzugang. Einige Techniken passen das Back-off-Fenster an, um der Anzahl der STA zu entsprechen, wodurch dann die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass zwei STA den gleichen zufälligen Back-off-Wert einwerfen. Andere Techniken beruhen auf dem Gruppieren von STA, wobei es nur STA in derselben Gruppe erlaubt wird, um das Medium zu konkurrieren. Damit diese Techniken funktionieren können, muss der AP jedoch wissen, wie viele STA sich im Netz befinden, und diese Information ist erst verfügbar, wenn die STA ihre anfängliche Assoziation beendet haben. Derartige Techniken sind etwa aus der
US 2009/0156165 A1 ,
US 2008/0137604 A1 ,
JP H07-107 101 A und
US 2011/0235558 A1 bekannt.
US 2009/0156165 A1 beschreibt ein Verfahren, dass das Bestimmen eines Identifizierers eines Zugangsgerätes, das autorisiert ist, einen Zugangspunkt zu verwenden, und das Übertragen einer Dienstumleitungsnachricht, die den Identifizierer enthält, umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Übertragen eines Parameters, der das Zugriffsterminal anweist, während des bestimmten Zeitschlitzes in dem Wiederholungsintervall aufzuwachen.
US 2008/0137604 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Umverteilung einer Vielzahl von Kommunikationsgeräten von einem ersten Frequenzband zu einem gewünschten Frequenzband in einem drahtlosen Netzwerk. Die Vielzahl von Kommunikationsvorrichtungen befindet sich in einem geschlitzten Modus. Ferner wird eine erste Konfigurationsnachricht an den ersten Satz der Vielzahl von Kommunikationsvorrichtungen während Fraktionen der Zeitschlitzzyklusperiode übertragen.
JP H07-107 101 A beschreibt eine Übertragungsstation-Anweisungseinrichtung einer Hauptstation, die einen Übertragungsstation-Befehlsrahmen aussendet, der Bitmaskeninformationen und Übertragungsfreigabe-Stationsadresseninformationen enthält, während die Bitmaskeninformationen und die Übertragungsfreigabe-Stationsadressinformationen zu jeder vorgeschriebenen Periode aktualisiert werden. Eine Übertragungsstation-Erkennungseinrichtung aller Kommunikationsstationen, die die Hauptstation enthält, empfängt den Sendestationsbefehlsrahmen, der aus der Übertragungsstation-Isolationseinrichtung gesendet wird. Anschließend werden die in dem empfangenen Rahmen enthaltenen Bitmaskeninformationen und eine Stationsadresse und die Übertragungsfreigabe-Stationsadresseninformation, die in dem Sendestationsbefehlsrahmen enthalten sind, verglichen, und in dem Fall, in dem ein Ergebnis des Vergleichs übereinstimmt, wird die Übertragung zu einer Sende-/Empfangseinrichtung der eigenen Station gestattet.
US 2011/0235558 beschreibt ein gerätetypabhängiges Vorgehen zur Zugriffssteuerung wird verwendet, um den Netzzugriff durch MTC-(MTC) und Nicht-MTC-Geräte unabhängig zu steuern. Für jeden Gerätetyp werden mehrere Zugriffsklassen definiert. Die Basisstation steuert selektiv den Zugriff auf das Netzwerk durch jeden Gerätetyp, indem eine Zugriffssteuerungsmaske für jeden definierten Gerätetyp an die drahtlosen Endgeräte innerhalb des Netzwerks gesendet wird.
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Wenn eine große Anzahl von STA versucht, sich gleichzeitig mit dem AP zu assoziieren (mit einem kurzen Zeitraum einer Ankunftsdifferenz, beispielsweise nach einem großflächigen Stromausfall), gibt es eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass die STA miteinander kollidieren und das Medium verstopft werden könnte. Falls der AP die Parameter, wie die Back-off-Fenster-Größe oder die Anzahl der Gruppen, unter der Annahme einer großen Anzahl von STA abstimmt, kann der Netzdurchsatz auch durch die Verschwendung spektraler Ressourcen beim Warten auf nicht existierende um das Medium konkurrierende STA beeinträchtigt werden. Daher bestehen ein Bedarf an einem Schema zum Verwalten der Konkurrenzsituationen von einer möglicherweise großen Anzahl von STA und ein Bedarf an einem Schema, das Konkurrenzsituationen vor und nach der Assoziation behandeln kann.
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Kurzfassung
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Gemäß einem Aspekt sieht eine Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Steuern des Zugangs einer Station zu einem Kommunikationsmedium vor, das in Zeitschlitze unterteilt ist, wobei das Verfahren umfasst: Senden von Abgrenzungssignalen in regelmäßigen Intervallen durch eine Steuereinrichtung des Mediums, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält; Empfangen eines Abgrenzungssignals, das einem bestimmten Zeitschlitz entspricht, durch die Station; Maskieren von jedem von dem einen oder den mehreren Abfragecodes vom empfangenen Abgrenzungssignal mit einer Steuermaske, um für jeden Abfragecode einen jeweiligen maskierten Abfragecode zu erzeugen, durch die Station; Maskieren eines von der Station gehaltenen Antwortcodes mit der Steuermaske, um einen maskierten Antwortcode zu erhalten, durch die Station; und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren maskierten Abfragecodes mit dem maskierten Antwortcode übereinstimmt, durch die Station selbst. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Gemäß einem anderen Aspekt sieht eine andere Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Station vor, die dafür vorgesehen ist, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, das durch Abgrenzungssignale, die von einer Steuereinrichtung in regelmäßigen Intervallen gesendet werden, in Zeitschlitze unterteilt ist, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines Abgrenzungssignals, das einem bestimmten Zeitschlitz entspricht, durch die Station; Maskieren von jedem von dem einen oder den mehreren Abfragecodes vom empfangenen Abgrenzungssignal mit einer Steuermaske, um für jeden Abfragecode einen jeweiligen maskierten Abfragecode zu erzeugen, durch die Station; Maskieren eines von der Station gehaltenen Antwortcodes mit der Steuermaske, um einen maskierten Antwortcode zu erhalten, durch die Station; und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren maskierten Abfragecodes mit dem maskierten Antwortcode übereinstimmt, durch die Station selbst. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Ein Verfahren gemäß einem der Aspekte kann ferner umfassen, dass die Station einem Netz beitritt, das von der Steuereinrichtung unterhalten wird, und kann die Steuereinrichtung als Reaktion darauf zu der Station ein Steuersignal senden, das den Antwortcode enthält. Die Steuermaske kann beispielsweise im Steuersignal bereitgestellt sein und durch das Steuersignal erhalten werden. Bei einer anderen Variante wird eine erste Maske im Steuersignal bereitgestellt, eine zweite Maske wird im Abgrenzungssignal, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht, bereitgestellt, die erste und die zweite Maske sind Binärwörter gleicher Länge, die Bits in einem Eins-Zustand oder einem Null-Zustand enthalten, und das Verfahren umfasst ferner ein Auswählen der einen von der ersten und der zweiten Maske, welche die meisten Bits im Null-Zustand enthält, als die Steuermaske.
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Bei einem Verfahren nach einem der erwähnten Aspekte kann jedes Abgrenzungssignal eine Maske enthalten. Bei manchen Varianten leitet die Station die Steuermaske von der Maske ab, die im Abgrenzungssignal enthalten ist, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht. In dem Fall, in dem die Maske, die im Abgrenzungssignal enthalten ist, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht, ein Binärwort ist, das Bits in einem Eins-Zustand oder einem Null-Zustand enthält, kann beim Ableiten der Steuermaske die Station beispielsweise ein oder mehrere Bits in diesem Binärwort von einem Null-Zustand zu einem Eins-Zustand ändern.
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Bei einigen Ausführungsformen wählt die Steuereinrichtung aus einer Gruppe vorgegebener Codes den einen oder die mehreren Abfragecodes aus, die in jedem Abgrenzungssignal enthalten sind.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor: eine Station zum Zugreifen auf ein Kommunikationsmedium, das durch Abgrenzungssignale, die in regelmäßigen Intervallen von einer Steuereinrichtung gesendet werden, in Zeitschlitze unterteilt wird, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält, und die Station umfasst: einen Empfänger zum Empfangen von Signalen von der Steuereinrichtung, eine Speichereinrichtung zum Speichern eines Antwortcodes und eine Verarbeitungseinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung ist dafür ausgelegt auszuführen: Rückgewinnen von einem oder mehreren Abfragecodes aus einem Abgrenzungssignal, das am Empfänger empfangen wird und einem bestimmten Zeitschlitz des Mediums entspricht, Maskieren von jedem von dem einen oder den mehreren Abfragecodes vom empfangenen Abgrenzungssignal mit einer Steuermaske, um für jeden Abfragecode einen jeweiligen maskierten Abfragecode zu erzeugen, Maskieren des Antwortcodes vom Speicher mit der Steuermaske, um einen maskierten Antwortcode zu erzeugen, und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren maskierten Abfragecodes mit dem maskierten Antwortcode übereinstimmt. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Verarbeitungseinrichtung ferner dafür ausgelegt, den Antwortcode aus einem Steuersignal zurückzugewinnen, das am Empfänger von der Steuereinrichtung empfangen worden ist, weil die Station einem von der Steuereinrichtung unterhaltenen Netz beigetreten ist. Bei manchen Varianten dieser Ausführungsformen ist die Verarbeitungseinrichtung ferner dafür ausgelegt, die Steuermaske aus dem Steuersignal zurückzugewinnen. Bei anderen Varianten wird eine erste Maske im Steuersignal bereitgestellt, eine zweite Maske wird im Abgrenzungssignal, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht, bereitgestellt, sind die erste und die zweite Maske Binärwörter gleicher Länge, die Bits in einem Eins-Zustand oder einem Null-Zustand enthalten, und ist die Verarbeitungseinrichtung ferner dafür ausgelegt, die eine von der ersten und der zweiten Maske, welche die meisten Bits im Null-Zustand enthält, als die Steuermaske auszuwählen.
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Jedes Abgrenzungssignal kann eine Maske enthalten, und bei manchen Varianten kann die Verarbeitungseinrichtung ferner dafür ausgelegt sein, die Maske, die im Abgrenzungssignal enthalten ist, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht, als die Steuermaske zu verwenden. Bei anderen Varianten kann die Verarbeitungseinrichtung jedoch ferner dafür ausgelegt sein, die Steuermaske von der Maske abzuleiten, die im Abgrenzungssignal enthalten ist, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht. In dem Fall, in dem die Maske, die im Abgrenzungssignal enthalten ist, das dem bestimmten Zeitschlitz entspricht, ein Binärwort ist, das Bits in einem Eins-Zustand oder einem Null-Zustand enthält, kann die Verarbeitungseinrichtung dafür ausgelegt sein, die Steuermaske durch Ändern von einem oder mehreren Bits im Binärwort von einem Null-Zustand zu einem Eins-Zustand abzuleiten.
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Die Steuermaske, der Antwortcode und der eine oder die mehreren Abfragecodes können Binärwörter sein.
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Der Antwortcode kann durch Hashing einer MAC-Adresse der Station erzeugt werden. Der Antwortcode kann eine Zufallszahl sein.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt gibt es keine Steuermasken, und eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Steuern des Zugangs einer Station zu einem Kommunikationsmedium, das in Zeitschlitze unterteilt ist, wobei das Verfahren umfasst: Senden von Abgrenzungssignalen in regelmäßigen Intervallen durch eine Steuereinrichtung des Mediums, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält; Empfangen eines Abgrenzungssignals, das einem bestimmten Zeitschlitz entspricht, durch die Station; und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren Abfragecodes mit dem Antwortcode übereinstimmt, durch die Station selbst. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt gibt es keine Steuermasken und eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor: ein Verfahren zum Betreiben einer Station, die dafür vorgesehen ist, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, das durch Abgrenzungssignale, die von einer Steuereinrichtung in regelmäßigen Intervallen gesendet werden, in Zeitschlitze unterteilt ist, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines Abgrenzungssignals, das einem bestimmten Zeitschlitz entspricht, durch die Station; und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren Abfragecodes mit dem Antwortcode übereinstimmt, durch die Station selbst. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor: eine Station zum Zugreifen auf ein Kommunikationsmedium, das durch Abgrenzungssignale, die in regelmäßigen Intervallen von einer Steuereinrichtung gesendet werden, in Zeitschlitze unterteilt ist, wobei jedes Abgrenzungssignal einen jeweiligen Zeitschlitz abgrenzt und einen oder mehrere Abfragecodes enthält, und die Station umfasst: einen Empfänger zum Empfangen von Signalen von der Steuereinrichtung, eine Speichereinrichtung zum Speichern eines Antwortcodes und eine Verarbeitungseinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung ist dafür ausgelegt auszuführen: Rückgewinnen von einem oder mehreren Abfragecodes aus einem Abgrenzungssignal, das am Empfänger empfangen wird und einem bestimmten Zeitschlitz des Mediums entspricht; und Verhindern, dass die Station versucht, im bestimmten Zeitschlitz auf das Kommunikationsmedium zuzugreifen, falls keiner von dem einen oder den mehreren Abfragecodes mit dem Antwortcode übereinstimmt. Die Erfindung kann demgemäß einen Weg zum Steuern, wenn eine Station versucht, auf ein Kommunikationsmedium zuzugreifen, und als Erweiterung einen Weg zum Steuern, wenn Stationsgruppen versuchen, auf ein Kommunikationsnetz zuzugreifen, bereitstellen.
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Nur als Beispiel werden nun bestimmte Ausführungsformen mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein Blockdiagramm ist, das ein Netz schematisch zeigt;
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2 ein Zeitablaufdiagramm ist, das eine Aktivität im Netz aus 1 erklärt;
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3 ein Blockdiagramm ist, das den Zugangspunkt des in 1 dargestellten Netzes schematisch zeigt;
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4 ein Blockdiagramm ist, das eine Station des in 1 dargestellten Netzes schematisch zeigt; und
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5 eine graphische Darstellung ist, welche die relativen Leistungsfähigkeiten verschiedener Typen von Medienzugangs-Steuerschemata zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Netz 10, in dem fünf STA 12, 14, 16, 18 und 20 unter Verwendung eines CSMA/CA-MAC-Schemas konkurrieren, um Kommunikationen unter Verwendung der vom AP 22 bereitgestellten Ressourcen auszuführen. Es wird leicht verständlich sein, dass sich im Netz mehr oder weniger als fünf STA befinden könnten. Der AP 22 könnte beispielsweise ein Drahtlos-Router sein, der ein WiFi-Netz bereitstellt, und die STA 12–20 könnten beispielsweise Laptops, Smartphones, Drucker oder Tablet-Computer sein, die über das WiFi-Netz des APs kommunizieren möchten.
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Der AP 22 stellt ein Kommunikationsmedium bereit, über das die STA 12–20 versuchen können, zu kommunizieren. Das durch den AP 22 bereitgestellte Kommunikationsmedium ist in Zeitschlitze unterteilt. Der Anfang jedes Schlitzes ist durch einen Signalrahmen abgegrenzt. Jeder Schlitz ist mit einer mit v bezeichneten Gruppennummer, die acht Bits lang ist, und einer mit m bezeichneten Maske, die auch acht Bits lang ist, versehen. Die Gruppennummer und die Maske eines Schlitzes werden in seinem Signalrahmen übermittelt. Der AP 22 kann einen oder beide von m und v für jeden Schlitz beliebig ändern, um die Anzahl der STA einzustellen, die in jedem Schlitz um einen Zugang zum Medium konkurrieren dürfen. Das Einstellen von m und v kann auf vom AP 22 vorgenommenen Beobachtungen des Mediums und auf Parametern, wie dem erweiterten Zwischenrahmenplatz ("extended interframe space" – EIFS), der Paketfehlerrate ("packet error rate" – PER) und der Beurteilung der Kanalfreiheit ("clear channel assessment" – CCA) beruhen.
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Zur Ausführung von Kommunikationen unter Verwendung der Ressourcen des APs 22 müssen sich die STA 12–20 mit dem AP 22 "assoziieren". Das heißt, dass sich die STA 12–20 dem AP 22 identifizieren müssen und sich seiner Kontrolle unterwerfen müssen. Nachdem die STA 12–20 mit dem AP 22 assoziiert worden sind, können die STA 12–20 unter Verwendung der durch das Kommunikationsmedium repräsentierten Ressourcen des APs 22 kommunizieren. Die STA 12–20 konkurrieren zu verschiedenen Zeiten um die Verwendung des Kommunikationsmediums, und es ist möglich (und es wird tatsächlich erwartet), dass es Gelegenheiten gibt, bei denen mehrere STA 12–20 versuchen, das Medium gleichzeitig zu verwenden. Es wird gesagt, dass eine STA eine "Kollision" erfährt, wenn sie versucht, auf das Medium zuzugreifen, und feststellt, dass das Medium bereits von einer anderen der Stationen, beispielsweise STA, verwendet wird. Eine STA, die eine Kollision erfährt, wird "zurückweichen", also versuchen, stattdessen zu einer späteren Zeit auf das Medium zuzugreifen.
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Der Prozess, bei dem eine STA 12–20 um einen Zugang zum durch den AP 22 bereitgestellten Kommunikationsmedium konkurriert, wird nun vom Standpunkt der STA 12 erörtert. Es ist zu verstehen, dass sich die anderen STA 14–20 in der gleichen Weise verhalten.
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Vor der Assoziation mit dem AP 22 erzeugt die STA 12 eine 8-Bit-Zufallszahl, die mit rv bezeichnet wird. Wie später erörtert wird, ändert die STA 12 diesen Wert nicht vor einer erfolgreichen Assoziation mit dem AP 22. Die STA 12 konkurriert nur um das Medium, falls (wobei "und" "bitweise und" bezeichnet): rv und m = v und m —— Bedingung ➀
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Sobald die STA 12 mit dem AP 22 assoziiert wird, spezifiziert der AP 22 einen mit rv’ bezeichneten neuen rv-Wert zur Verwendung durch die STA 12 nach der Assoziation. Der Wert rv’ ändert sich nicht, es sei denn, dass der AP 22 ihn unter Verwendung eines zur STA 12 gesendeten neuen Aktionsrahmens aktualisiert (Aktionsrahmen sind innerhalb der IEEE-802.11-Normen definiert). Nach der Assoziation mit dem AP 22 konkurriert die STA 12 während eines gegebenen Schlitzes nicht um das Medium, sofern sie in diesem Schlitz einen Signalrahmen empfangen hat und (wobei "und" "bitweise und" bezeichnet): rv' und m = v und m —— Bedingung ➁
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Die STA 12 darf sowohl vor als auch nach der Assoziation selbständige Einstellungen an der Maske vornehmen, so dass die STA 12 ihre Konkurrenz um das Medium verringern kann und daher ihre Gesamtkollisionswahrscheinlichkeit ohne die Intervention des APs 22 verringern kann. Dieses anscheinend selbst aufopfernde Verhalten der STA 12 kann den Gesamtkommunikationsdurchsatz des Netzes 10 sowie die einzelnen Zugangsverzögerungen in einem statistisch gemittelten Sinne, die von der STA 12 erfahren werden, verbessern. Die selbständige Einstellung, welche die STA 12 vornehmen darf, ist die Änderung der Nullbits in der Maske auf Einsen, wobei die Maske m in diesem Fall modifiziert wird und zu einer als m’ bezeichneten Maske wird. Falls die STA 12 eine solche Änderung vorgenommen hat, konkurriert die STA 12 dann in einem gegebenen Schlitz und vor der Assoziation der STA 12 mit dem AP 22 um das Medium, falls (wobei "und" "bitweise und" bezeichnet): v und m’ = v und m’ —— Bedingung ➂
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Falls die STA 12 mit dem AP 22 assoziiert wurde und der AP rv zu rv’ modifiziert hat, wird Bedingung ➂ natürlich zu: rv’ und m’ = v und m’ —— Bedingung ➃
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Ein einfacher Weg, auf dem die STA 12 ihre Maske modifizieren kann, besteht darin, das Nullbit zu identifizieren, das dem Ende des niedrigstwertigen Bits (LSB) am nächsten liegt, und dieses Bit dann auf Eins zu setzen. Falls beispielsweise angenommen wird, dass m = 00010101 ist und dass das LSB am rechten Ende liegt, gilt m’ = 00010111. Natürlich sind auch andere Schemata möglich, um zu wählen, welches zusätzliche Bit auf Eins zu setzen ist. Beispielsweise könnte das zu ändernde Bit gefunden werden, indem vom Ende des höchstwertigen Bits (MSB) statt vom Ende des LSBs gesucht wird.
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Es ist auch möglich, dass das Netz 10 ausgelegt wird, um zu ermöglichen, dass die STA 12 gleichzeitig mehrere Nullbits in Einsen ändert. Es ist auch möglich, dass das Netz 10 ausgelegt wird, um zu ermöglichen, dass die STA 12 eine zur Verwendung mit einem Signalrahmen erzeugte modifizierte Maske m’ nimmt und eine weitere Einstellung an der Maske vornimmt, indem eines oder mehrere Nullbits auf Eins gesetzt werden, wenn die Maske mit einem nachfolgenden Signalrahmen verwendet wird.
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Aus einer Perspektive kann ein Signalrahmen als ein Abgrenzungssignal angesehen werden, weil er die Zeitschlitze des Kommunikationsmediums abgrenzt. Ähnlich kann die in einem Signalrahmen gesendete Gruppennummer als ein Abfragecode angesehen werden, weil sie von der STA 12 verwendet wird, um abzufragen, ob die STA um einen Zugang zum Medium konkurrieren kann, und der rv-Wert oder gegebenenfalls der rv’-Wert kann als ein Antwortcode angesehen werden, weil er die durch die Bewertung der relevanten der Bedingungen ➀ bis ➃ bereitgestellte Antwort der STA auf die Gruppennummer bestimmt. Ferner kann die Maske, die bei der Bewertung der relevanten Bedingung (m, m’ oder, wie später erörtert wird, m’’) verwendet wird, als eine Steuermaske angesehen werden, weil sie den Vergleich des Abfragecodes mit dem Gruppencode steuert. Unter der Annahme, dass die Steuermaske, der Abfragecode und der Antwortcode alle die gleiche Länge haben, wird es, je mehr Bits in der Steuermaske auf Eins gesetzt werden, umso unwahrscheinlicher, dass es der STA 12 erlaubt wird, in einem gegebenen Zeitschlitz um einen Zugang zum Kommunikationsmedium zu konkurrieren.
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Dies schließt die Erklärung des Mechanismus ab, durch den die STA 12 um den Zugang zum durch den AP 22 bereitgestellten Kommunikationsmedium konkurriert. Die anderen STA 14 bis 20 verwenden die gleiche Art des Konkurrierens um einen Zugang zum Kommunikationsmedium.
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2 zeigt ein Beispiel eines Szenarios, in dem die STA 12–20 um den Zugang zum Medium konkurrieren. 2 zeigt vier aufeinander folgende Schlitze im Kommunikationsmedium. Die Schlitze 24, 26, 28 und 30 sind durch ihre jeweiligen Signalrahmen 32, 34, 36 und 38 abgegrenzt, die durch den AP 22 ausgesendet werden.
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2 zeigt das Netz 10 in Aktion. 2 zeigt als ein als Beispiel dienendes Szenario einen Schnappschuss von vier aufeinander folgenden Zeitschlitzen 24, 26, 28 und 30 im Medium, während derer vier der fünf STA 12–20 zufällig um den Zugang zum Medium konkurrieren. Jeder der Zeitschlitze 24 bis 30 beginnt mit einem jeweiligen Signalrahmen 32, 34, 36 und 38. Die Aktivität innerhalb dieser Zeitschlitze wird nun erörtert.
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Zeitschlitz 24
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Im Laufe dieses Zeitschlitzes geschieht es, dass gerade die STA 12 und 16 um einen Zugang zum Medium konkurrieren. In diesem Zeitschlitz setzt der Signalrahmen 32 v = 00000001 und m = 00000001.
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Die STA 12 hat rv = 00000011 und verwendet m, wie durch den Signalrahmen 32 zugewiesen. In diesem Fall gilt: rv und m = v und m so dass die STA 12 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 40 angegeben.
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Die STA 16 hat rv = 00000101, und angesichts der Tatsache, dass sie beim letzten Mal, als sie versucht hat, auf das Medium zuzugreifen, eine Kollision erfahren hat, wählt die STA 16, in diesem Zeitschlitz eine modifizierte Maske m’ = 00000011 an Stelle von m = 00000001 zu verwenden. In diesem Fall gilt: rv und m’ = v und m’ so dass die STA 16 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 42 angegeben.
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Zeitschlitz 26
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Im Laufe dieses Zeitschlitzes geschieht es, dass gerade die STA 12, 16 und 18 um einen Zugang zum Medium konkurrieren. In diesem Zeitschlitz setzt der Signalrahmen 34 v = 00000011 und m = 00000011.
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Die STA 16 hat rv = 00000101 und verwendet m, wie durch den Signalrahmen 34 zugewiesen. In diesem Fall gilt: rv und m ≠ v und m so dass die STA 16 in diesem Zeitschlitz nicht um einen Zugang zum Medium konkurrieren darf, und dieses Verbot ist durch einen durchgestrichenen Block 46 angegeben.
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Die STA 18 hat rv = 00000111 und verwendet m, wie durch den Signalrahmen 34 zugewiesen. In diesem Fall gilt: rv und m = v und m so dass die STA 18 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 48 angegeben.
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Es sei daran erinnert, dass die STA 12 rv = 00000011 hat und in diesem Zeitschlitz wählt, m zu verwenden, wie es durch den Signalrahmen 34 zugewiesen wurde. In diesem Fall gilt: rv und m = v und m so dass die STA 12 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 50 angegeben.
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Zeitschlitz 28
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Im Laufe dieses Zeitschlitzes geschieht es, dass gerade die STA 12 und 14 um einen Zugang zum Medium konkurrieren. In diesem Zeitschlitz setzt der Signalrahmen 36 v = 00000010 und m = 00000010.
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Auf diese Weise geschieht es, dass die STA 12 eine Kollision erfährt (mit einer anderen Aktivität, die in der Figur nicht dargestellt ist), wenn sie im Zeitschlitz 26 um den Zugang zum Medium konkurriert, und daher wählt, in diesem Zeitschlitz eine modifizierte Maske m’ = 00000011 an Stelle von m = 00000010 zu verwenden. Es sei daran erinnert, dass die STA 12 rv = 00000011 hat, so dass in diesem Fall gilt: rv und m’ ≠ v und m’ so dass die STA 12 in diesem Zeitschlitz nicht um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und dieses Verbot ist durch einen durchgestrichenen Block 52 angegeben.
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Die STA 14 hat rv = 00000110 und verwendet m, wie durch den Signalrahmen 36 zugewiesen. In diesem Fall gilt: rv und m = v und m so dass die STA 14 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 54 angegeben.
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Zeitschlitz 30
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Während der Dauer dieses Zeitschlitzes geschieht es, dass sich nur die STA 18 entschließt, um den Zugang zum Medium zu konkurrieren. In diesem Zeitschlitz setzt der Signalrahmen 38 v = 00000010 und m = 00000010.
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Es sei daran erinnert, dass die STA 18 rv = 00000111 hat und wählt, m zu verwenden, wie es durch den Signalrahmen 32 zugewiesen ist. In diesem Fall gilt: rv und m = v und m so dass die STA 18 in diesem Zeitschlitz um den Zugang zum Medium konkurrieren darf, und diese Konkurrenz ist durch Block 56 angegeben.
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Dies schließt die Beschreibung der Aktivität in den vier Zeitschlitzen 24–30 ab. In dem in 2 dargestellten Szenario sind die STA 12 bis 18 nicht mit dem AP 22 assoziiert. Falls sie damit assoziiert wären, würden die relevanten Fälle der Legende rv in dieser Figur durch rv’ ersetzt werden.
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Der vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Betrieb des Netzes 10 ist in der Hinsicht nützlich, dass er einen Weg bereitstellt, um die Zeiten zu steuern, zu denen STA-Gruppen vor der Assoziation um einen Zugang zum Medium konkurrieren.
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Der vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Betrieb des Netzes 10 ist in der Hinsicht nützlich, dass er einen Weg bereitstellt, um die Zeiten zu steuern, zu denen STA nach der Assoziation um einen Zugang zum Medium konkurrieren.
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Das vorstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Verfahren zum Betrieb des Netzes 10 ist in der Hinsicht nützlich, dass es einer großen Anzahl von STA Rechnung tragen kann, die um einen Zugang zum Medium konkurrieren.
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3 zeigt den AP 22. In 3 sind nur die Merkmale des APs 22 dargestellt, die zum Beschreiben der Erfindung am nützlichsten sind. Fachleute werden leicht verstehen, dass der AP 22 in der Praxis viel mehr Elemente umfasst als die in 3 dargestellten. Wie in 3 dargestellt ist, weist der AP 22 einen Sender 58, einen Empfänger 60, einen Prozessor 62 und einen Speicher 64 auf. Der Sender 58 empfängt Kommunikationen (wie Anforderungen der STA 12–20 zum Zugang zum durch den AP 22 bereitgestellten Kommunikationsmedium) vom Netz 10, und diese werden mit Hilfe von Befehlen und Daten, die aus dem Speicher 64 abgerufen werden, durch den Prozessor 62 verarbeitet. Der Prozessor 62 kann auch Daten und Befehle im Speicher 64 speichern. Der Prozessor 62 kann Kommunikationen (wie Signalrahmen, die von den STA 12–20 zu verwendende m- und v-Werte enthalten, oder wie Aktionsrahmen, die von einer STA zu verwendende rv’- und/oder m’’-Werte enthalten) über den Sender 58 zum Netz 10 übertragen.
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4 zeigt die STA 12. In 4 sind nur die Merkmale der STA 12 dargestellt, die zum Beschreiben der Erfindung am nützlichsten sind. Fachleute werden leicht verstehen, dass die STA 12 in der Praxis viel mehr Elemente umfasst als die in 4 dargestellten und dass die STA 14–20 den gleichen Entwurf wie die STA 12 haben können. Wie in 4 dargestellt ist, weist die STA 12 einen Sender 66, einen Empfänger 68, einen Prozessor 70 und einen Speicher 72 auf. Der Sender 66 empfängt Kommunikationen (wie Signalrahmen, die von der STA 12 zu verwendende m- und v-Werte enthalten, oder wie Aktionsrahmen, die rv’- und/oder m’’-Werte für die STA 12 enthalten) vom Netz 10, und diese werden mit Hilfe von Befehlen und Daten, die aus dem Speicher 72 abgerufen werden, vom Prozessor 70 verarbeitet. Der Prozessor 70 kann auch Daten und Befehle im Speicher 72 speichern. Der Prozessor 70 kann Kommunikationen (wie Anforderungen an den AP 22 zum Zugang zum vom AP 22 bereitgestellten Kommunikationsmedium) über den Sender 66 zum Netz 10 senden.
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5 zeigt die Ergebnisse einer Monte-Carlo-Simulation, die ausgeführt wurde, um den Vorteil zu beurteilen, der darin besteht, es den STA zu ermöglichen, in Gruppen um einen Medienzugang zu konkurrieren, wie im mit Bezug auf die 1 und 2 dargelegten Schema. Bei der Simulation konkurriert eine gegebene Anzahl von STA gleichzeitig um das Medium, um ein Paket zu senden. Sobald dieses Paket erfolgreich übermittelt wurde, bleibt eine STA stumm. Bei der Simulation wurden drei MAC-Schemata beurteilt:
- • Die graphische Darstellung der Daten 74 zeigt die Ergebnisse für eine grundlegende verteilte Koordinationsfunktion ("distributed coordination function" – DCF) mit einer anfänglichen Back-off-Fenster-Größe von 32.
- • Die graphische Darstellung der Daten 76 zeigt die Ergebnisse für eine grundlegende DCF mit einer anfänglichen Back-off-Fenster-Größe von 128.
- • Die graphische Darstellung der Daten 78 zeigt die Ergebnisse für ein CSMA/CA-Schema, wobei:
– die STA in zwanzig Gruppen gleicher Größe unterteilt sind;
das Kommunikationsmedium in Zeitschlitze unterteilt ist;
– nur eine der Gruppen in jedem Zeitschlitz um einen Zugang zum Medium konkurrieren darf, wobei die Zeitschlitze die zwanzig Gruppen wiederholt zyklisch durchlaufen, so dass im n-ten Zeitschlitz die j-te Gruppe konkurrieren darf, wobei j = n modulo p ist und n eine ganze Zahl größer oder gleich Eins ist und p die Anzahl der Gruppen (zwanzig) ist;
– die STA jeweils eine feste Back-off-Fenster-Größe von 32 aufweisen.
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5 zeigt, dass die Anzahl der Kollisionen verringert wird, indem STA vor der anfänglichen Assoziation gruppiert werden (graphische Darstellung 7844), was darauf hinweist, dass das mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebene STA-Konkurrenzschema die Anzahl der Konkurrenzsituationen erheblich verringern kann.
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Verschiedene Modifikationen können am mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen MAC-Schema vorgenommen werden, und einige von diesen werden nun erörtert.
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Bei einer Ausführungsform ist rv keine durch die jeweilige STA erzeugte Zufallszahl, sondern vielmehr ein Acht-Bit-Hash der MAC-Adresse der STA. Bei anderen Ausführungsformen können verschiedene Pseudozufallswerte für rv verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform kann der Maske m eine einfachere Form gegeben werden, insofern sie stattdessen als eine Anzahl von Bits spezifiziert werden kann, die am LSB-Ende oder am MSB-Ende von m beginnen, welche die einzigen von Null verschiedenen Bits in m sein sollen. Beispielsweise könnte ein Signalrahmen die Anzahl "drei" signalisieren, wodurch angegeben wird, dass für STA, die zufällig im Zeitschlitz dieses Signalrahmens konkurrieren, m eine Acht-Bit-Zahl ist, bei der nur die drei LSB auf Eins gesetzt sind, d.h. m = 00000111. Bei dieser Variante können die zuvor erwähnten Regeln zum Anpassen von m zu m’ verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform weist der Signalrahmen eine Gruppe von Nummern v auf, und die STA prüfen die maskierten rv oder gegebenenfalls die maskierten rv’ gegen die Liste, um festzustellen, ob sie im Signalrahmen konkurrieren. Eine STA kann konkurrieren, falls sie in der Liste eine Nummer findet, für die die eine der Bedingungen ➀ bis ➃, die sie verwendet, erfüllt ist.
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Bei einer Ausführungsform ordnet der AP 22, sobald eine STA mit dem AP 22 assoziiert wurde, dieser STA nicht nur einen rv’-Wert, sondern auch eine Maske m’’ zu, welche die STA wahlweise an Stelle von m bei der Beurteilung der Bedingung ➁ verwenden kann. Bei dieser Ausführungsform optiert eine STA für die Verwendung von m’’ an Stelle von m zur Beurteilung der Bedingung ➁, es sei denn, dass m weniger auf Eins gesetzte Bits hat als m’’. Die rv’- und m’’-Werte einer STA ändern sich nicht, es sei denn, dass der AP 22 sie unter Verwendung eines neuen zu dieser STA gesendeten Aktionsrahmens aktualisiert. Das heißt, dass eine STA m’’ durch Ändern von Bits von Null auf Eins modifizieren kann. Bei einer Variante dieser Ausführungsform kann eine STA jedoch m’’ modifizieren, indem sie eines oder mehrere Bits von Null auf Eins ändert (hierdurch würde die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass eine STA in einem gegebenen Zeitschlitz konkurriert), jedoch nicht indem sie eines oder mehrere Bits von Eins auf Null ändert (wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht werden würde, dass eine STA in einem gegebenen Zeitschlitz konkurriert).
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Bei einer anderen Variante ist die von einer STA verwendete Steuermaske ganz auf Einsen gesetzt, beispielsweise 11111111 für den Fall, dass die Steuermaske ein Acht-Bit-Wort ist. Dieser nur Einsen aufweisende Zustand könnte in einer oder mehreren STA verwendet werden und während eines Zeitraums oder unbegrenzt verwendet werden. In Bezug auf die letztgenannte Option gibt es bei einer weiteren und verwandten Variante keine Steuermaske, so dass die Bedingungen ➀ und ➂ beide rv = v werden und die Bedingungen ➁ und ➃ beide rv’ = v werden.
