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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren, Systeme und Vorrichtungen für Drahtloskommunikation basierend auf digitalen Modulationsschemata für orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugang (OFDMA-Modulationsschemata), insbesondere zur Verwendung in dichten Drahtloskommunikationsnetzen in industriellen Systemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Von Drahtlosnetzen der nächsten Generation wird erwartet, dass sie Unterstützung für Anwendungen bieten, die geringe Latenzen, hohe Zuverlässigkeit und hohen Durchsatz erfordern, wie beispielsweise in einem drahtlosen Innensystem in einer Flugzeugkabine, insbesondere für die städtische Luftmobilität. Allerdings sind sie auch auf andere Anwendungsszenarien anwendbar. Geringe Latenzen und hohe Zuverlässigkeit können üblicherweise in Szenarien mit mehreren am selben Ort befindlichen Drahtloszugangspunkten, die normalerweise zum Verdichten der Bereitstellungsmöglichkeiten und zum Erweitern der Netzabdeckung verwendet werden, den meisten Nutzen haben.
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Drahtlose Kabinenanwendungen zielen darauf ab, Verbindungsfähigkeit zu einer großen Anzahl von Vorrichtungen an Bord eines Luftfahrzeugs bereitzustellen, ohne dass umfangreiche Verdrahtungen oder Verkabelungen erforderlich sind. Bei solchen Anwendungen können mehrere Zugangspunkte mit überlappenden Abdeckungsbereichen über ein drahtgebundenes oder drahtloses Backbone verbunden sein.
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Im Allgemeinen bieten moderne Telekommunikationsstandards wie 5G oder IEEE 802.11ax eine hohe Zuverlässigkeit und einen hohen Durchsatz, da sie das digitale Modulationsschemata für orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugang (OFDMA-Modulationsschemata) einsetzen, das es mehreren Anwendern ermöglicht, gleichzeitig Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Kommunikationsverbindungen aufrechterhalten zu können. Es kann jedoch nicht vermieden werden, dass am selben Ort befindliche Zugangspunkte unter einem OFDMA-Verkehrssteuerschema miteinander interferieren. Darüber hinaus kann der Datenverkehr aus verschiedenen Anwendungen nicht nur mit OFDMA voneinander getrennt werden.
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Frühere Lösungen auf dem Gebiet umfassen eine Koordination des Verkehrs durch Zeitaufteilung oder Konfliktsteuerung. Beide Lösungen eignen sich nicht für Systeme mit sehr geringer Latenz, die für eine zeitkritische Kommunikation wünschenswert wären, wie beispielsweise in einer Fly-by-Wireless-Anwendung.
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Das Dokument
US 8000604 B2 offenbart auf orthogonalem Frequenzmultiplex-Mehrfachzugang (OFDMA) basierende passive optische Netzarchitekturen mit dynamischer Bandbreitenzuweisung.
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Das Dokument
US 7936836 B2 offenbart Planungsschemata für OFDMA-Parallelnetzarchitekturen.
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Das Dokument
EP 2 030 473 B1 offenbart Verfahren zum Planen von Übertragungen für mehrere Zellen in einem Cluster eines Drahtloskommunikationssystems mittels eines gemeinsamen Planers für mehrere Basisstationen.
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Dokument
GB 2 571 005 A offenbart ein Drahtloskommunikationsverfahren in einem drahtlosen Netz, das einen physischen Zugangspunkt und mehrere in Gruppen organisierte Stationen umfasst, wobei jede Gruppe von einem virtuellen Zugangspunkt verwaltet wird, der in dem physischen Zugangspunkt implementiert ist.
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Das Dokument
US 2010/0061470 A1 offenbart einen stückelbaren Router mit einer Weiterleitungs-Maschine und mehreren virtuellen Paketschnittstellen, die mit der Weiterleitungs-Maschine gekoppelt sind und sich einen OFDMA-basierten programmierbaren Sendeempfänger für die Schnittstellenvirtualisierung teilen.
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Das Dokument
US 2017/0289963 A1 offenbart Verfahren zum Zuweisen von Betriebsmitteleinheiten in einem drahtlosen LAN. Dokument
MX 2010004611 A offenbart Verfahren zur lokalen optimalen Betriebsmittelverteilung bei der Kommunikation benachbarter Zugangspunkte.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine der Aufgaben der Erfindung, die Latenz und Zuverlässigkeit der Drahtloskommunikation in OFDMA-basierten Kommunikationssystemen mit mehreren Zugangspunkten zu verbessern.
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Zumindest einige dieser Aufgaben werden durch den Gegenstand der jeweiligen unabhängigen Ansprüche erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben, die sich auf die unabhängigen Ansprüche beziehen. Einige oder alle der Aufgaben können auch durch andere Lehren erreicht werden, die in die vorliegende Offenbarung einbezogen sind.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein drahtloses Netz mehrere Zugangspunkte mit mindestens paarweise überlappender drahtloser Abdeckung, wobei jeder der Zugangspunkte ein OFDMA-Modulationssystem und mindestens einen Kanalplaner, der mit dem OFDMA-Modulationssystem gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, eine variable Anzahl von virtuellen drahtlosen Schnittstellen des Zugangspunkts einzurichten, umfasst, wobei jede virtuelle drahtlose Schnittstelle einer dedizierten Menge von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums zugeordnet ist. Mindestens eine erste der virtuellen drahtlosen Schnittstellen ist dazu ausgelegt, alle Kommunikationsverbindungen zwischen dem Zugangspunkt und lokalen mobilen Clients zu dem Zugangspunkt zu hosten. Mindestens eine zweite der virtuellen drahtlosen Schnittstellen ist dazu ausgelegt, Kommunikationsverbindungen zwischen dem Zugangspunkt und einem der benachbarten Zugangspunkte zu hosten.
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In einigen Ausführungsformen des ersten Aspekts kann jede der dedizierten Mengen von Unterträgern durch den mindestens einen Kanalplaner statisch oder dynamisch konfiguriert werden. In einigen Ausführungsformen des ersten Aspekts ist der mindestens eine Kanalplaner dazu ausgelegt, den dedizierten Mengen von Unterträgern basierend auf dem IEEE 802.1q-Standard oder dem IETF-DiffServ-Standard Unterträger zuzuweisen.
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In einigen Ausführungsformen des ersten Aspekts umfasst jeder der Zugangspunkte ferner eine Warteschlangenverwaltungsvorrichtung, die mit dem mindestens einen Kanalplaner gekoppelt ist, wobei die Warteschlangenverwaltungsvorrichtung mehrere Paketwarteschlangen aufweist, wobei jede der mehreren Paketwarteschlangen einer der dedizierten Mengen von Unterträgern zugeordnet ist. In einigen Ausführungsformen davon können die mehreren Paketwarteschlangen Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstrecken-Warteschlangen umfassen.
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In einigen Ausführungsformen des ersten Aspekts ist jeder der Zugangspunkte dazu ausgelegt, im Halbduplex- oder Vollduplex-Kommunikationsmodus zu arbeiten. In einigen Ausführungsformen des ersten Aspekts ist jeder der Zugangspunkte dazu ausgelegt, Detektionsbakennachrichten auszusenden, um benachbarte Zugangspunkte zu entdecken und die mindestens eine zweite der virtuellen drahtlosen Schnittstellen basierend auf empfangenen Antworten auf die Detektionsbakennachrichten von benachbarten Zugangspunkten einzurichten.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Einrichten eines drahtlosen Maschennetzes, das mehrere Zugangspunkte mit mindestens paarweise überlappender drahtloser Abdeckung aufweist, die folgenden Schritte: Definieren einer ersten virtuellen drahtlosen Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte zur Kommunikation zwischen dem Zugangspunkt und lokalen mobilen Clients zu dem Zugangspunkt unter Verwendung eines digitalen OFDMA-Modulationsschemas, Definieren mindestens einer zweiten virtuellen drahtlosen Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte zur Kommunikation zwischen dem Zugangspunkt und einem der benachbarten Zugangspunkte in dem drahtlosen Maschennetz, Zuweisen einer ersten Anzahl von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums zu einer ersten dedizierten Menge von Unterträgern, Zuweisen einer zweiten Anzahl von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums zu einer zweiten dedizierten Menge von Unterträgern, wobei keiner der zweiten Anzahl von Unterträgern in der ersten Anzahl von Unterträgern enthalten ist, Verwenden der ersten dedizierten Menge von Unterträgern, um Kommunikationsverbindungen über die mindestens eine erste virtuelle drahtlose Schnittstelle zwischen dem Zugangspunkt und lokalen mobilen Clients zu dem Zugangspunkt bereitzustellen, und Verwenden der zweiten dedizierten Menge von Unterträgern, um Kommunikationsverbindungen über die mindestens eine zweite virtuelle drahtlose Schnittstelle zwischen dem Zugangspunkt und einen der benachbarten Zugangspunkte in dem drahtlosen Maschennetz bereitzustellen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Einrichten eines drahtlosen Maschennetzes, das mehrere Zugangspunkten mit mindestens paarweise überlappender drahtloser Abdeckung aufweist, die folgenden Schritte: Definieren einer virtuellen drahtlosen Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte zur Kommunikation zwischen dem Zugangspunkt und einem der benachbarten Zugangspunkte mit überlappender drahtloser Abdeckung unter Verwendung eines digitalen OFDMA-Modulationsschemas, durch einen ersten der mehreren Zugangspunkte, Wählen einer ersten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten innerhalb des OFDMA-Spektrums zur Zuweisung zu einer ersten dedizierten Menge von Betriebsmitteleinheiten, um Kommunikationsverbindungen zu und von dem ersten Zugangspunkt über die virtuelle drahtlose Schnittstelle bereitzustellen, durch den ersten der mehreren Zugangspunkte, Senden eines Betriebsmittelnutzungssignals an eine Anzahl benachbarter Zugangspunkte unter den mehreren Zugangspunkten, die eine überlappende drahtlose Abdeckung mit dem ersten der mehreren Zugangspunkte haben, und durch einen zweiten Zugangspunkt unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte, Wählen einer zweiten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten innerhalb des OFDMA-Spektrums zur Zuweisung zu einer zweiten dedizierten Menge von Betriebsmitteleinheiten, um Kommunikationsverbindungen zu und von dem zweiten Zugangspunkt unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte über die virtuelle drahtlose Schnittstelle bereitzustellen, wobei keine der zweiten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten in der ersten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten enthalten ist.
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In einigen Ausführungsformen des dritten Aspekts umfasst das Verfahren ferner einen Schritt des Wartens für eine beliebige Zeitdauer innerhalb einer Betriebsmittelzuweisungsschutzperiode vom Empfang des Betriebsmittelnutzungssignals bis zum Auswählen der zweiten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten durch den zweiten Zugangspunkt unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte. In einigen Ausführungsformen davon umfasst das Verfahren ferner die folgenden Schritte: durch den zweiten Zugangspunkt unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte, Empfangen eines weiteren Betriebsmittelnutzungssignals von einem dritten Zugangspunkt der mehreren Zugangspunkte während des Wartens, wobei das weitere Betriebsmittelnutzungssignal eine dritte Anzahl von Betriebsmitteleinheiten angibt, und Wählen der zweiten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten so, dass keine der zweiten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten in der ersten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten oder der dritten Anzahl von Betriebsmitteleinheiten enthalten ist. In einigen Ausführungsformen des dritten Aspekts hat der Umfang der Betriebsmittelzuweisungsschutzperiode eine minimale Schutzperiode, die der Zeit entspricht, die zum Auswählen von Betriebsmitteleinheiten und zum Senden des Betriebsmittelnutzungssignals durch einen Zugangspunkt benötigt wird.
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In einigen Ausführungsformen des dritten Aspekts können die Betriebsmitteleinheiten ein oder mehrere verfügbare Symbole innerhalb des OFDMA-Zeitbereichs, verfügbare Unterträger innerhalb des OFDMA-Spektrums und verfügbare Sendeantennen in dem Zugangspunkt umfassen.
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Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass drahtgebundene Netze kostengünstig durch drahtlose Netze ersetzt werden können und gleichzeitig genauso niedrige Latenzen und eine hochzuverlässige Kommunikation sichergestellt werden. Solche drahtlosen Netze können vorteilhafterweise immer noch verschiedene Sätze von Verkehrstypen unterstützen und können insbesondere für Szenarien mit mehreren am selben Ort befindlichen Zugangspunkten mit überlappender Netzabdeckung hilfreich sein. Darüber hinaus ermöglichen drahtlose Netze im Gegensatz zu drahtgebundenen Netzen Portabilität und Mobilität. Vorteilhafte Anwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen Industrie 4.0, Steuerung und Unterstützung autonomer Fahrzeuge, drahtlose Kabinennetze an Bord von Flugzeugen und Raumfahrzeugen sowie verteilte Fertigung, die alle hochzuverlässige Kommunikationsverbindungen für sicherheitskritische Steuersysteme erfordern.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Implementieren eines Mechanismus, der in der Lage ist, das Spektrum über Frequenz-, Zeit- und Ortsbereich zu verteilen, so dass verschiedene Zugangspunkte gleichzeitig senden können, während Interferenzen untereinander und bei der Kommunikation mit jeweiligen lokalen Clients vermieden werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Bereitstellung von drahtlosen Systemen mit geringer Latenz und hoher Zuverlässigkeit, die mehrere überlappende Zugangspunkte umfassen, die zum Einrichten eines drahtlosen Maschennetzes verwendet werden können, wobei jeder der Netzknoten lokalen Zugang zu einer großen Anzahl lokaler Clients bereitstellen kann.
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Gleichzeitige Übertragungen werden sichergestellt, indem der Aufteilung des Spektrums über den Frequenz- und Ortsbereich eine höhere Priorität gegeben wird. Der Zeitbereich wird verwendet, um die erforderliche Konnektivität aller Kommunikationspaare in einem drahtlosen Maschennetz sicherzustellen. Durch die Zuweisung einzelner und nicht überlappender Mengen von Unterträgern zu verschiedenen virtuellen drahtlosen Schnittstellen kann die Kommunikation in dem drahtlosen Netz so hergestellt werden, dass die Zugangspunkte gleichzeitig mit einem ihrer Nachbarn und ihren lokalen Clients kommunizieren können, ohne dass die Kommunikation miteinander interferiert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, ausführlicher erläutert.
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Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in diese Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht ersichtlich, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen müssen relativ zueinander nicht unbedingt maßstabsgetreu sein. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
- 1 zeigt schematisch ein zeitempfindliches OFDMA-Netz mit mehreren Zugangspunkten mit überlappender drahtloser Abdeckung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
- 2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung für einen OFDMA-basierten Zugangspunkt gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
- 3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einrichten eines OFDMA-basierten drahtlosen Maschennetzes gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung; und
- 4 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Zuweisen von Betriebsmitteleinheiten in einem OFDMA-basierten Zugangspunkt gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleiche Komponenten, sofern nichts anderes angegeben ist. Alle Richtungsbegriffe wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“, „über“, „unter“, „horizontal“, „vertikal“, „hinten“, „vorne“ und ähnliche Begriffe werden lediglich zu Erläuterungszwecken verwendet und sollen die Ausführungsformen nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten spezifischen Anordnungen beschränken.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen soll diese Anmeldung alle Anpassungen oder Abwandlungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken.
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Drahtlose Netze im Sinne der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Netzsysteme, die auf digitalen Modulationsschemata für orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugang (OFDMA) basieren. OFDMA ist eine Topologie, die auf Zugangspunkte (AP) fokussiert ist und es 802.11ax-basierten APs ermöglicht, gleichzeitig mit mehreren Vorrichtungen zu kommunizieren, indem jeder Funkfrequenzkanal in Unterkanäle, auch als Betriebsmitteleinheiten (RU) bezeichnet, fragmentiert wird. OFDMA ist die Mehranwendervariante des OFDM-Schemas, bei der Mehrfachzugang durch Zuweisen von Teilmengen von Unterträgern zu verschiedenen Anwendern erreicht wird, wodurch die gleichzeitige Datenübertragung von mehreren Anwendern ermöglicht wird. Bei OFDMA sind die Funk-RUs über die Zeit in zweidimensionale Bereiche, d. h. eine ganzzahlige Anzahl von OFDM-Symbolen, und Frequenz, d. h. eine Anzahl von zusammenhängenden oder nicht zusammenhängenden Unterträgern, unterteilt. Die Gruppierung von Unterträgern in RUs wird als Unterkanalisierung bezeichnet. Die Unterträger, die eine RU bilden, müssen nicht physisch benachbart sein. Auf der Abwärtsstrecke kann eine RU verschiedenen Anwendern zugewiesen sein. Auf der Aufwärtsstrecke kann ein Anwender einer oder mehreren RUs zugewiesen sein.
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Der AP kann frei bestimmen, wie die Unterkanäle zugewiesen werden sollen, da jede einzelne RU verwendet werden kann, um verschiedene Clients gleichzeitig zu bedienen. Beispielsweise kann ein AP den gesamten Kanal, d. h. alle Unterkanäle innerhalb der Bandbreite des Kanals, einem einzelnen Anwender in einem gegebenen Zeitrahmen zuweisen, oder er kann die Kanalbandbreite in Partitionen verschiedener Bandbreitenbereiche aufteilen, um mehrere Vorrichtungen gleichzeitig zu bedienen. OFDMA erhöht die Flexibilität bei der Zuweisung des verfügbaren Durchsatzes für alle mit einem AP verbundenen Vorrichtungen.
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Üblicherweise umfassen drahtlose Netzarchitekturen mehr als einen AP, die miteinander kommunizieren können. Ein herkömmliches OFDMA-System bietet nur eine einzige Luftschnittstelle, die von dem Typ der zu bedienenden Vorrichtung unabhängig ist. Insbesondere kann ein AP auf Schnittstellenebene nicht zwischen lokalen Clients und benachbarten APs unterscheiden. Daher kann die Zuordnung von RUs zur Zuweisung von Bandbreite die Unterschiede zwischen der Inter-AP-Kommunikation (Kommunikation zwischen APs) und der Intra-AP-Kommunikation (Kommunikation zwischen einem AP und seinen lokal verbundenen Clients) nicht berücksichtigen.
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Um konsistenter Vorteile aus der Planungs- und Zuweisungsfähigkeit in OFDMA-basierten Modulationssystemen zu ziehen, ist es nützlich, die Verwendung einer konfliktbasierten Verkehrssteuerung zu minimieren und auf eine planbasierte Verkehrssteuerung umzusteigen. Dies erfordert, dass der AP in der Lage ist, zwischen benachbarten APs und lokalen Clients zu unterscheiden. Daher beruhen die in dieser Offenbarung beschriebenen Lösungen auf dem Konzept von virtuellen Schnittstellen (VI), denen unterschiedliche Mengen von Betriebsmitteleinheiten zugewiesen werden können.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines zeitempfindlichen OFDMA-Netzes 100. Das zeitempfindliche OFDMA-Netz 100 umfasst mehrere Zugangspunkte A, A1 und A2 mit mindestens paarweise überlappender drahtloser Abdeckung. Beispielsweise überlappt sich der Umfang drahtloser Abdeckung C1 des Zugangspunkts A1 mit dem Umfang drahtloser Abdeckung C2 des Zugangspunkts A2. Der Zugangspunkt A liegt innerhalb beider Umfänge drahtloser Abdeckung C1 und C2 der Zugangspunkte A1 und A2, so dass er auch einen Überlapp in der drahtlosen Abdeckung mit zwei anderen Zugangspunkten aufweist. Zugangspunkte mit überlappenden Umfängen drahtloser Abdeckung können als benachbarte Zugangspunkte bezeichnet werden.
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Obwohl es aus Gründen der Klarheit und Übersichtlichkeit nur drei Zugangspunkte A, A1 und A2 gibt, die in 1 explizit gezeigt sind, sollte klar sein, dass mehr als drei Zugangspunkte verwendet werden können, um ein drahtloses Maschen-OFDMA-Netz 100 in mehr als einer Dimension zu erstellen. Beispielsweise können die Zugangspunkte ein zweidimensionales Gitter mit teilweise überlappender drahtloser Abdeckung bilden. Ein solches zweidimensionales Gitter kann regelmäßig angeordnet sein, d. h. jeder Zugangspunkt innerhalb des Gitters hat die gleiche Anzahl benachbarter Zugangspunkte. In alternativen Konfigurationen kann das zweidimensionale Gitter unregelmäßig ausgebildet sein, d. h. die Anzahl benachbarter Zugangspunkte pro Zugangspunkt variiert auf unregelmäßige Weise entlang der Kanten des Graphen, der das Gitter darstellt.
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Wie es in 2 schematisch dargestellt ist, kann jeder der Zugangspunkte (AP) A, A1 und A2 ein OFDMA-Modulationssystem 7 umfassen, das Betriebsmitteleinheiten (RUs) 9 innerhalb eines verfügbaren OFDMA-Spektrums 8 verwendet, um Kommunikation auf einer Bitübertragungsschicht und Sicherungsschicht zu bewerkstelligen. Das OFDMA-Modulationssystem 7 ist mit einem Kanalplaner 6 gekoppelt, der dazu ausgelegt ist, eine variable Anzahl von virtuellen drahtlosen Schnittstellen V, V1, V2, VL, VL1 und VL2 des AP einzurichten. Jede der virtuellen drahtlosen Schnittstellen ist einer dedizierten Menge von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums zugeordnet. Es kann möglich sein, dass ein einzelner Kanalplaner 6 für alle virtuellen drahtlosen Schnittstellen V, V1, V2, VL, VL1 und VL2 des AP vorhanden ist. Alternativ kann es auch möglich sein, das verschiedene Kanalplaner 6 innerhalb eines AP vorhanden sind, wobei jeder der Kanalplaner 6 für mindestens eine der virtuellen drahtlosen Schnittstellen verantwortlich ist. Beispielsweise kann für jede der virtuellen drahtlosen Schnittstellen ein separater Kanalplaner 6 implementiert werden. Es kann auch möglich sein, dass verschiedene Arten von virtuellen drahtlosen Schnittstellen einen dedizierten Kanalplaner 6 haben. Beispielsweise kann es möglich sein, einen ersten Kanalplaner 6 für eine virtuelle drahtlose Schnittstelle zu implementieren, die Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und lokalen mobilen Clients L, L1 und L2 hostet, und einen zweiten Kanalplaner 6 für alle virtuellen drahtlosen Schnittstellen zu implementieren, die zum Hosten von Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und allen anderen benachbarten APs verwendet werden. Aus Gründen der Klarheit und Verständlichkeit ist in 2 nur ein einziger Kanalplaner 6 explizit dargestellt, obwohl in dem System von 2 auch zwei oder mehr Kanalplaner 6 implementiert sein können.
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Um Interferenzen zwischen verschiedenen Kommunikationsverbindungen des AP zu vermeiden, ist mindestens eine erste Schnittstelle der virtuellen drahtlosen Schnittstellen dazu ausgelegt, alle Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und den lokalen mobilen Clients L, L1 und L2 zu dem AP zu hosten, also sogenannte Intra-AP-Kommunikation. Im Gegensatz dazu ist mindestens eine zweite Schnittstelle der virtuellen drahtlosen Schnittstellen dazu ausgelegt, Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und einem oder mehreren der benachbarten APs zu hosten, also sogenannte Inter-AP-Kommunikation. Der Kanalplaner 6 kann jede der dedizierten Mengen von Unterträgern entweder statisch oder dynamisch konfigurieren. Beispielsweise kann der Kanalplaner 6 den dedizierten Mengen von Unterträgern Unterträger basierend auf dem IEEE-802.1q-Standard oder dem IETF-DiffServ-Standard (Internet Engineering Task Force Differentiated Services) zuweisen.
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Für jede der virtuellen drahtlosen Schnittstellen kann eine separate Menge von Warteschlangen in einer Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 gepflegt werden, die mit dem Kanalplaner 6 gekoppelt ist. Die Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 weist mehrere Paketwarteschlangen auf. Beispielsweise kann eine erste Paketwarteschlange 5a für eine erste dedizierte Menge von Unterträgern Datenpakete für den Verkehr bei Intra-AP-Kommunikation enthalten. Eine zweite Paketwarteschlange 5b für eine zweite dedizierte Menge von Unterträgern kann Datenpakete für den Verkehr bei Inter-AP-Kommunikation enthalten. Jede der Warteschlangen 5a, 5b kann Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstrecken-Warteschlangen umfassen, wie dies vom jeweiligen Kommunikationskanal erfordert wird, beispielsweise abhängig davon, ob sich der AP im Halbduplex- oder Vollduplex-Kommunikationsmodus befindet. In einigen Implementierungen kann nur die virtuelle drahtlose Schnittstelle, die Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und lokalen mobilen Clients hostet, mit Abwärtsstrecken- und Aufwärtsstrecken-Warteschlangen konfiguriert sein. Virtuelle drahtlose Schnittstellen, die dazu ausgelegt sind, Kommunikationsverbindungen zwischen dem AP und einem oder mehreren benachbarten APs zu hosten, können eine Menge von Warteschlangen aufweisen, die jeweils für einen anderen Verkehrstyp bestimmt sind.
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Virtuelle drahtlose Inter-AP-Schnittstellen und virtuelle drahtlose Intra-AP-Schnittstellen können ferner dadurch unterschieden sein, dass virtuelle drahtlose Inter-AP-Schnittstellen Verkehr aller Warteschlangen mit demselben Ziel umfassen, während virtuelle drahtlose Intra-AP-Schnittstellen Warteschlangen mit Paketen für oder von verschiedenen Ziele(n), d. h. die verschiedenen lokalen mobilen Clients, enthalten können. Daher kann der Kanalplaner 6 im Fall von virtuellen drahtlosen Intra-AP-Schnittstellen auch den Verkehr für oder von verschiedenen lokalen mobilen Clients isolieren, indem dieser Verkehr auf verschiedene Warteschlangen aufgeteilt wird.
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Für jede virtuelle drahtlose Schnittstelle kann eine separate Menge von Warteschlangen implementiert werden. Beispielsweise kann für verschiedene Arten von Verkehr eine separate Menge von Warteschlangen gültig sein. Jede Menge von Warteschlangen kann dann auf eine Menge von Unterträgern, die durch eine Betriebsmitteleinheit repräsentiert ist, abgebildet werden.
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Die Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 kann lokale Anforderungen von einer lokalen Anforderungsschnittstelle 1 annehmen und diese über eine Überlastungszulassungssteuerung 2 weiterleiten, um zu vermeiden, dass eingehende Datenpakete verworfen werden. Beispielsweise kann der Überlastzulassungscontroller 2 eine Eintarifzulassung mit Bündelgrößensteuerung für DiffServ-EF- und CS5-Klassen verwenden. Jedes Mal, wenn ein neuer lokaler Client dem AP beitritt, wird eine Dienstgütevereinbarung zwischen dem AP und dem lokalen Client ausgehandelt. Daher werden jedem Client die erforderliche Qualität der Dienstgüte und die Einhaltung der festgelegten Dienstgütevereinbarung durch das Verhalten des Clients sowohl auf der Abwärtsstrecke als auch auf der Aufwärtsstrecke garantiert. Die weitergeleiteten lokalen Anforderungen können dann von der Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 in einer ersten Menge von Warteschlangen eingereiht werden.
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In ähnlicher Weise kann die Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 an einer Verkehrsschnittstelle 3 eingehenden Verkehr annehmen, der in einer Verkehrsklassifizierungsvorrichtung 4 klassifiziert und identifiziert werden kann. Die klassifizierten und identifizierten Datenverkehrspakete können dann von der Warteschlangenverwaltungsvorrichtung 5 in einer zweiten Menge von Warteschlangen, die von der ersten Menge von Warteschlangen verschieden und disjunkt ist, eingereiht werden. Das mit APs implementierte drahtlose Maschennetz 100 gemäß 2 ist daher nicht konfliktbasiert, sondern eher planbasiert.
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Um benachbarte APs zu entdecken, kann der AP möglicherweise Detektionsbakennachrichten in einem Bootstrapping-Verfahren aussenden. Basierend auf den empfangenen Antworten von benachbarten APs auf die Detektionsbakennachrichten können verschiedene virtuelle drahtlose Schnittstellen eingerichtet werden, um die erforderlichen isolierten und distinkten Kommunikationsverbindungen zwischen verschiedenen APs innerhalb des Umfangs drahtloser Abdeckung des AP, der die Detektionsbakennachrichten sendet, aufzunehmen.
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3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens M1 zum Einrichten eines drahtlosen Maschennetzes wie beispielsweise des drahtlosen Maschennetzes 100 von 1. Das Verfahren M1 kann unter Verwendung mehrerer Zugangspunkte mit mindestens paarweise überlappendem drahtloser Abdeckung wie der in Verbindung mit 1 und 2 gezeigten und erläuterten Zugangspunkte implementiert werden. In einem ersten Schritt M11 wird eine erste virtuelle drahtlose Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte zur Kommunikation zwischen dem Zugangspunkt und den lokalen mobilen Clients L, L1 oder L2 zu dem Zugangspunkt unter Verwendung eines digitalen OFDMA-Modulationsschemas definiert. Dann wird in einem zweiten Schritt M12 mindestens eine zweite virtuelle drahtlose Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte zur Kommunikation zwischen dem Zugangspunkt und einem der benachbarten Zugangspunkte in dem drahtlosen Maschennetz 100 definiert.
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Eine erste Anzahl von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums wird in einem Schritt M13 einer ersten dedizierten Menge von Unterträgern zugewiesen, während eine zweite Anzahl von Unterträgern innerhalb des OFDMA-Spektrums in einem Schritt M14 einer zweiten dedizierten Menge von Unterträgern zugewiesen wird. Diese zweite Anzahl von Unterträgern ist paarweise disjunkt von der ersten Anzahl von Unterträgern, d. h. keiner der zweiten Anzahl von Unterträgern ist in der ersten Anzahl von Unterträgern enthalten.
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Die erste dedizierte Menge von Unterträgern kann dann verwendet werden, um in einem Schritt M15 Kommunikationsverbindungen über die mindestens eine erste virtuelle drahtlose Schnittstelle zwischen dem Zugangspunkt und lokalen mobilen Clients zu dem Zugangspunkt bereitzustellen, während die zweite dedizierte Menge von Unterträgern in einem Schritt M16 verwendet werden kann, um Kommunikationsverbindungen über die mindestens eine zweite virtuelle drahtlose Schnittstelle zwischen dem Zugangspunkt und einem der benachbarten Zugangspunkte in dem drahtlosen Maschennetz 100 bereitzustellen.
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4 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens M2 zum Einrichten eines drahtlosen Maschennetzes, das die Zuweisung von Betriebsmitteleinheiten (RUs) in einem OFDMA-basierten Zugangspunkt umfasst. Das Verfahren M2 kann beispielsweise in einem drahtlosen Maschennetz 100 implementiert werden, wie es in Verbindung mit 1 erläutert und gezeigt ist. Das drahtlose Maschennetz 100, für das das Verfahren M2 geeignet ist, umfasst mehrere Zugangspunkte - wie etwa Zugangspunkte A, A1 und A2, wie sie in Verbindung mit 1 und 2 erläutert und gezeigt sind - die mindestens paarweise überlappende drahtlose Abdeckung aufweisen.
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Das Verfahren M2 umfasst zunächst einen Schritt M21 des Definierens einer virtuellen drahtlosen Schnittstelle in jedem der mehreren Zugangspunkte. Die virtuelle drahtlose Schnittstelle wird innerhalb des digitalen OFDMA-Modulationsschemas implementiert, das für die Kommunikation zwischen den Zugangspunkten (APs) verwendet wird. Insbesondere kann die virtuelle drahtlose Schnittstelle zum Herstellen einer Inter-AP-Kommunikation zwischen dem fraglichen AP und einem der benachbarten APs, die eine überlappende drahtlose Abdeckung mit dem fraglichen AP aufweisen, verwendet werden.
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Alle APs in dem drahtlosen Maschennetz 100 können durch einen Graphen G = (V, E (V, RC)) dargestellt werden, der die drahtlose Konnektivität des Netzes beschreibt. V bezeichnet die APs und E bezeichnet die Menge von Kanten, die V innerhalb eines Abstands oder Umfangs verbinden, innerhalb dessen das Signal-Rausch-Verhältnis der drahtlosen Verbindung größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise durch Konfigurieren der Sendeleistung jedes AP basierend auf akzeptierten Pegeln erhalten werden. Beispielsweise sollte in einem drahtlosen Avionik-Maschennetz 100 die Übertragungsleistung höher als ein definierter Wert sein, um eine zuverlässige und dauerhafte Konnektivität zwischen den Netzknoten zu gewährleisten.
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In einem zweiten Schritt M22 umfasst das Verfahren M2, dass ein erster der mehreren APs eine erste Anzahl von Betriebsmitteleinheiten (RUs) innerhalb des OFDMA-Spektrums zur Zuweisung zu einer ersten dedizierten Menge von RUs auswählt. Diese RUs in der ersten dedizierten Menge sollen zum Bereitstellen von Kommunikationsverbindungen zu und von dem ersten Zugangspunkt über die virtuelle drahtlose Schnittstelle verwendet werden. Eine RU kann einer Anzahl verfügbarer Symbole innerhalb des OFDMA-Zeitbereichs, einer Anzahl verfügbarer Unterträger innerhalb des OFDMA-Spektrums und/oder verfügbaren Sendeantennen in dem Zugangspunkt, falls MIMO verwendet wird, zugeordnet sein. Die Anzahl der verfügbaren Zeitschlitze beträgt zwei für Halbduplexsysteme und eins für Vollduplexsysteme. Die Anzahl der verfügbaren Mengen von Frequenzunterträgern entspricht dem gesamten verfügbaren Spektrum geteilt durch die Mindestfrequenz, die pro AP zugewiesen werden sollte, abzüglich eventueller Schutzbänder zwischen Mengen von Unterträgern. Die Anzahl der verfügbaren Sendeantennen hängt von der Hardwarekonfiguration des jeweiligen AP ab.
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Bei Vorhandensein eines regulären Netzes mit Grad N sind N*2+4 RUs für jeden AP in einem Vollduplexsystem und N+2 RUs in einem Halbduplexsystem verfügbar. Im Fall eines unregelmäßigen Graphen kann die Anzahl der benötigten RUs nicht zuverlässig auf dem Netzgrad beruhen, so dass ein Graphfärbeverfahren verwendet werden kann, um jeder virtuellen drahtlosen Schnittstelle zwischen APs (d. h. entlang der Kanten) und jeder AP (d. h. von außen zu einer Ecke, die die Knoten im Netz darstellt) RUs zuzuweisen. RUs, die einer Ecke zugeordnet sind, werden zur Kommunikation der APs mit ihren jeweils verbundenen lokalen Vorrichtungen wie beispielsweise den in 1 gezeigten Vorrichtungen L, L1 oder L2 verwendet.
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Der erste AP kann ein Netz-Gateway sein, das Informationen über die Konnektivität aller APs in dem drahtlosen Maschennetz sammelt, beispielsweise basierend auf einem bestimmten Kommunikationsprotokoll. Das Netz-Gateway kann die Anzahl verfügbarer RUs als Produkt der Anzahl verfügbarer Symbole, der Anzahl verfügbarer Unterträger innerhalb des OFDMA-Spektrums und der verfügbaren Sendeantennen schätzen. Darüber hinaus kann das Netz-Gateway anhand der Netzkonnektivitätsinformationen bestimmen, ob der Graph, der die Drahtlosnetztopologie aller APs darstellt, regulär ist oder nicht. Zu diesem Zweck wird der Konnektivitätsgrad jedes AP-Knotens basierend auf der Anzahl von Verbindungen/Kanten festgelegt, deren Signal/Rausch-Verhältnis über einem gegebenen Schwellenwert liegt.
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Das Netz-Gateway als erster AP reserviert dann zuerst zwei (Halbduplex) oder vier (Vollduplex) RUs für die Kommunikation lokaler Clients mit dem ersten AP. Ein Vektor mit allen ausgewählten RUs wird erstellt, wobei im Allgemeinen alle verfügbaren RUs als nicht verwendet markiert sind. Sobald der erste AP eine erste Anzahl von RUs ausgewählt hat, sendet er in einem Schritt M23 ein Betriebsmittelnutzungssignal an eine Anzahl benachbarter APs. Das Betriebsmittelnutzungssignal enthält den Vektor mit allen von dem ersten AP ausgewählten RUs. Die APs, die überlappende drahtlose Abdeckung mit dem ersten AP aufweisen, können das Betriebsmittelnutzungssignal empfangen und die angegebene ausgewählte erste Anzahl von RUs des ersten AP als bereits reserviert markieren. Um mögliche Interferenzen in der Kommunikation zu vermeiden, kann einer der zweiten APs unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte eine zweite Anzahl von RUs innerhalb des OFDMA-Spektrums zur Zuweisung zu einer zweiten dedizierten Menge von RUs auswählen. Diese zweite Anzahl von RUs ist von der ersten Anzahl von RUs paarweise disjunkt, d. h. keine der zweiten Anzahl von RUs ist in der ersten Anzahl von RUs enthalten.
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Es kann Probleme bei der Auswahl der zweiten Anzahl von RUs geben, falls sich in der Nähe des ersten AP ein weiterer AP befindet, der beim Empfangen des Betriebsmittelnutzungssignals ebenfalls RUs auswählt: Zwei empfangende APs können versehentlich und gleichzeitig eine zweite Anzahl von RUs auswählen, die nicht paarweise disjunkt sind, was unbeabsichtigte Interferenzen in den ausgewählten gemeinsamen RUs erzeugt. Somit kann das Verfahren M2 einen Schritt des Wartens M24 durch jeden der APs unter der Anzahl benachbarter APs für eine beliebige Zeitdauer umfassen. Die beliebige Zeitdauer kann innerhalb eines Betriebsmittelzuweisungsschutzperiodenumfangs zufällig ausgewählt werden. Der Betriebsmittelzuweisungsschutzperiodenumfang beginnt zu dem Zeitpunkt des Empfangs des Betriebsmittelnutzungssignals bis zu dem Zeitpunkt, an dem die zweite Anzahl von RUs tatsächlich ausgewählt wird. Der Betriebsmittelzuweisungsschutzperiodenumfang kann eine feste Obergrenze und eine Mindestschutzperiode, die der Zeit entspricht, die ein AP benötigt, um RUs auszuwählen und das Betriebsmittelnutzungssignal zu senden, aufweisen.
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Wenn ein zweiter AP unter der Anzahl benachbarter Zugangspunkte in einem Schritt M25 ein weiteres Betriebsmittelnutzungssignal von einem dritten Zugangspunkt der mehreren Zugangspunkte empfängt, während er sich in der Wartezeit befindet, kann er daher alle von einem weiteren zweiten AP zusätzlich reservierten RUs bei der Auswahl der eigenen Anzahl von RUs berücksichtigen. Das weitere Betriebsmittelnutzungssignal gibt eine dritte Anzahl von RUs an, so dass die Auswahl der zweiten Anzahl von RUs unter der Randbedingung durchgeführt werden kann, dass keine der zweiten Anzahl von RUs in der ersten Anzahl von RUs (reserviert von dem ersten AP) oder der dritten Anzahl von RUs (reserviert von einem weiteren zweiten AP, der übrigens eine kürzere Wartezeit als der empfangende AP hatte) enthalten ist.
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Der Prozess der Auswahl weiterer Anzahlen von RUs in weiteren APs wird rekursiv wiederholt, bis allen APs in dem Netz RUs für ihre jeweiligen virtuellen drahtlosen Schnittstellen zugewiesen wurden. Wenn das Netz vollständig drahtlos ist, d. h. kein verdrahtetes Backbone, mit dem die APs verbunden sind, aufweist, können die noch verfügbaren RUs auf ähnliche Weise wie die RUs für die Intra-AP-Kommunikation bestimmt werden.
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Wenn der Graph, der das drahtlose Maschennetz repräsentiert, regelmäßig ist, d. h. wenn für jeden AP in dem Hauptgitter des Netzes eine gleiche Anzahl von Verbindungen zu benachbarten APs besteht, können die RUs in einem bestimmbaren Algorithmus verteilt werden: Nach Beginn bei einem Netz-Gateway als erstem AP kann der Graph Kante für Kante durchlaufen werden, wobei bei jedem zweiten Knoten gestoppt wird, der noch nicht mit einem AP verbunden ist, der für die Zuweisung von RUs berücksichtigt wurde. In jedem besuchten AP werden die RUs unter den noch nicht für benachbarte APs reservierten RUs ausgewählt.
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Wenn der Graph, der das drahtlose Maschennetz repräsentiert, nicht regelmäßig ist, d. h. wenn die Anzahl der Verbindungen zu benachbarten APs für mindestens zwei APs variiert, erzeugt das Netz-Gateway als erster AP einen Vektor mit allen RUs, die nicht für die Intra-AP-Kommunikation verwendet werden. Anschließend beginnt das Netz-Gateway so viele RUs, wie für ausgehende Inter-AP-Kommunikationsverbindungen erforderlich sind, als die erste Anzahl von RUs zufällig auszuwählen. Die ausgewählten RUS werden in dem Vektor, der in dem Betriebsmittelnutzungssignal ausgesendet wird, als verwendet/reserviert markiert. Alle benachbarten APs in dem Konnektivitätsgraphen empfangen das ausgesendete Betriebsmittelnutzungssignal, können in eine Wartezeit beliebiger und zufälliger Länge innerhalb des Betriebsmittelzuweisungsschutzperiodenumfangs (siehe oben) eintreten und abhängig von den empfangenen Betriebsmittelnutzungssignalen eine zweite Anzahl von RUs innerhalb der Wartezeit von mindestens dem ersten AP und eventuell anderen benachbarten APs auswählen. Aus allen verfügbaren, d. h. nicht verwendeten und noch nicht reservierten RUs wählt der AP so viele RUs, wie für ausgehende Inter-AP-Kommunikationsverbindungen erforderlich sind, als die zweite Anzahl von RUs aus. Wenn es möglich ist, sollten die ausgewählten RUs nicht zu den bereits verwendeten RUs benachbart sein, um möglichst wenig Interferenz zwischen verschiedenen Kommunikationsverbindungen zu verursachen. Dann wird ein neues Betriebsmittelnutzungssignal mit dem aktualisierten Vektor reservierter RUs an weitere benachbarte APs ausgesendet.
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Dieser Prozess setzt sich fort, bis für alle APs in dem drahtlosen Maschennetz Intra-AP-Kommunikationsverbindungen sowie Inter-AP-Kommunikationsverbindungen eingerichtet sind. Wenn dem oben beschriebenen Algorithmus gefolgt wird, kommunizieren alle APs mit überlappender drahtloser Abdeckung mit den verschiedenen Kommunikationspartnern (lokalen Clients und benachbarten APs) über disjunkte RUs. Dies minimiert die Interferenz zwischen den verschiedenen Kommunikationsverbindungen und garantiert eine geringe Latenz und hohe Zuverlässigkeit, insbesondere für die Kommunikation zwischen APs.
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In der vorstehenden genauen Beschreibung sind verschiedene Merkmale in einem oder mehreren Beispielen oder Beispielen zusammengefasst, um die Offenbarung zu verschlanken. Es versteht sich, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll. Alle Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente sollen abgedeckt sein. Viele andere Beispiele werden für Fachleute nach Durchsicht der obigen Beschreibung ersichtlich sein.
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Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erklären, damit andere Fachleute die Erfindung und verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Abwandlungen, die für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind, am besten einsetzen können. In den beigefügten Ansprüchen und in der gesamten Beschreibung werden die Begriffe „aufweisen“ und „in der/m“ als einfachsprachliche Äquivalente der jeweiligen Begriffe „umfassen“ bzw. „wobei“ verwendet. Darüber hinaus schließt „eine/r/s“ oder „eins“ im vorliegenden Fall eine Mehrzahl nicht aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8000604 B2 [0006]
- US 7936836 B2 [0007]
- EP 2030473 B1 [0008]
- GB 2571005 A [0009]
- US 2010/0061470 A1 [0010]
- US 2017/0289963 A1 [0011]
- MX 2010004611 A [0011]
