DE102022212008A1

DE102022212008A1 - Verfahren für einen mehrkanaligen selbstorganisierenden Zeitmultiplex-Vielfachzugriff

Info

Publication number: DE102022212008A1
Application number: DE102022212008.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lindner; Johannes Hampel; Miguel Bellido Manganell; Musa Ahmed Eltayeb Ahmed; Konrad Fuger; Andreas Timm-Giel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Hamburg TUHH; IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Technische Universitaet Hamburg TUHH; IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der drahtlosen Kommunikationssysteme, insbesondere auf ein Verfahren für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einem ersten Benutzergerät (A) und einem zweiten Benutzergerät (B) in einem Kommunikationssystem (S), wobei das Kommunikationssystem (S) eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen (PP1 - PPn) und genau einen gemeinsam genutzten Kanal (SH) umfasst und wobei die Kommunikation in Zeitslots gleicher Länge organisiert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:Bestimmen eines freien Zeitslots (k1A, k1B) des gemeinsam genutzten Kanals (SH) durch das erste Benutzergerät (A) und durch das zweite Benutzergerät (B), wobei der freie Zeitslot (k1A, k1B) eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten (n) ist;Senden, durch das erste Benutzergerät (A), einer Verbindungsanforderungsbake (bcreq) in dem ersten freien Zeitslot (k1A) über den gemeinsamen Kanal (SH);Empfangen, durch das zweite Benutzergerät (B), der Verbindungsanforderungsbake (bcreq); Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät (B), einer Kommunikationsverbindung (PP-Link) wobei die Kommunikationsverbindung (PP-Link) das erste und das zweite Benutzergerät (A, B), einen Punkt-zu-Punkt-Kanal (PPi), einen Kommunikationsstartslot (cs) und eine Kommunikationsdauer (cd) umfasst;Senden, durch das zweite Benutzergerät (B), einer Verbindungsantwortbake (bcrp) im zweiten freien Zeitslot (k1B) über den gemeinsamen Kanal (SH), wobei die Verbindungsantwortbake (bcrp) die Kommunikationsverbindung (PP-Link) umfasst; Empfangen, durch das zweite Benutzergerät (B), der Verbindungsantwortbake (bcrp); und Kommunizieren, zwischen dem ersten Benutzergerät (A) und dem zweiten Benutzergerät (B), gemäß der Kommunikationsverbindung (PP-Link).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der drahtlosen Kommunikationssysteme, insbesondere für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Benutzergerät und auf ein Kommunikationssystem.
Hintergrund
Viele drahtlose Kommunikationssysteme stützen sich auf ein zentrales Element, das die Kommunikation zwischen den Benutzergeräten dieses Systems steuert. Es gibt jedoch auch Systeme, die sich nicht auf ein solches zentrales Element stützen können. Beispiele hierfür sind Regionen mit unzureichender Infrastruktur oder Kommunikationssysteme zwischen Flugzeugen (etc.), d.h. sogenannte Luft-Luft-Systeme. Ein allgemeines Problem bei diesen Kommunikationssystemen besteht darin, ein effizientes Verfahren für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen den Benutzergeräten bereitzustellen.
Beschreibung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen Benutzergeräten bereitzustellen. Dieses Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einem ersten Benutzergerät und einem zweiten Benutzergerät in einem Kommunikationssystem, wobei das Kommunikationssystem eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen und genau einen gemeinsam genutzten Kanal umfasst und wobei die Kommunikation in Zeitslots gleicher Länge organisiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Bestimmen, durch das erste Benutzergerät, eines ersten freien Zeitslots des gemeinsam genutzten Kanals, wobei der erste freie Zeitslot eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten ist;
Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät, eines zweiten freien Zeitslots des gemeinsam genutzten Kanals, wobei der zweite freie Zeitslot eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten ist;
Senden, durch das erste Benutzergerät, einer Verbindungsanforderungsbake in dem ersten freien Zeitslot über den gemeinsamen Kanal, wobei die Verbindungsanforderungsbake eine Identifikation des ersten Benutzergeräts, eine Identifikation des zweiten Benutzergeräts und eine erste Kanalliste verfügbarer Punkt-zu-Punkt-Kanäle des ersten Benutzergeräts umfasst; Empfangen, durch das zweite Benutzergerät, der Verbindungsanforderungsbake; Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät, einer Kommunikationsverbindung, wobei die Kommunikationsverbindung das erste und das zweite Benutzergerät, einen Punkt-zu-Punkt-Kanal, einen Kommunikations-startslot, und eine Kommunikationsdauer umfasst, wobei der Punkt-zu-Punkt-Kanal ein Kanal der ersten Kanalliste ist;
Senden, durch das zweite Benutzergerät, einer Verbindungsantwortbake in dem zweiten freien Zeitslot über den gemeinsamen Kanal, wobei die Verbindungsantwortbake die Kommunikationsverbindung umfasst;
Empfangen, durch das zweite Benutzergerät, der Verbindungsantwortbake; und Kommunizieren, durch das erste Benutzergerät und das zweite Benutzergerät, gemäß der Kommunikationsverbindung.

Das Kommunikationssystem kann aus einer Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen bestehen, deren Bandbreite durch internationale Konventionen festgelegt ist. Ein Beispiel hierfür ist das so genannte L-Band Digital Aeronautical Communications System (LDACS), das Konventionen für die Luft-Luft-Kommunikation (A/A) haben kann. Das Kommunikationssystem kann z. B. eine Bandbreite von 500 kHz für jeden Kanal haben. Das Kommunikationssystem kann eine Vielzahl dieser Kanäle für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation verwenden („Punkt-zu-Punkt-Kanäle, PP1 - PPn“ für n Punkt-zu-Punkt-Kanäle). Das Kommunikationssystem kann genau einen der Kanäle definieren, der von allen Teilnehmern des Kommunikationssystems verwendet werden soll („shared channel, SH“). Die Teilnehmer des Kommunikationssystems können auch als Benutzergeräte oder Benutzer bezeichnet werden. Das Kommunikationssystem kann weitere Arten von Kanälen definieren, z. B. einen Broadcast Voice Subchannel („VC“). Die Benutzergeräte können keinen Kommunikationskontakt mit einer Bodenstation haben, und/oder die Bodenstation kann wie jeder andere Benutzer behandelt werden, d.h. die Bodenstation fungiert nicht als zentrales (steuerndes) Element.
Die Kommunikation kann in Zeitslots gleicher Länge organisiert werden, wobei „gleiche Länge“ nicht unbedingt bedeutet, dass nur eine Dauer eines Zeitslots definiert oder erlaubt ist. Es kann mehrere Arten von Zeitslots gleicher Länge geben, z. B. Zeitslots gleicher Länge mit einer Dauer von 6, 12 oder 24 Millisekunden. Die Art der gleich langen Zeitslots kann zwischen den Benutzergeräten vor jeder Kommunikation auf den Punkt-zu-Punkt-Kanälen vereinbart werden. Eine Zeitslot-Startzeit („t=0“) kann durch das Protokoll des Kommunikationssystems vordefiniert werden. Die Startzeit des Zeitslots kann z.B. bestimmt werden: durch die Bodenstation, durch ein GNSS (Global Navigation Satellite System) wie GPS, durch eine Synchronisation mit der Ortszeit und/oder zwischen Benutzergeräten. Die Bestimmung von t=0 zwischen Benutzergeräten kann Zeitstempel verwenden, die bei der Übertragung von Baken gesendet (bzw. empfangen) werden. Das Senden von Zeitstempeln kann ein optionaler Inhalt der Bakenübertragungen sein und/oder kann auf Anfrage gesendet (und entsprechend empfangen) werden. Mit anderen Worten, die Sende- und Empfangszeitstempel jedes Nutzergeräts basieren auf der eigenen Uhr, und durch die gegenseitige Kombination der Zeitstempelinformationen der empfangenen Pakete mit der eigenen Zeitbasis, d.h. durch die Berechnung der Laufzeitverzögerung, können wir die Zeitbasen miteinander synchronisieren. Wenn zum Beispiel mehrere, z.B. mindestens 4 (vier) Funkgeräte bereits eine gemeinsame Zeit- und Positionsbasis ausgehandelt haben, dann können nachfolgende Funkgeräte ihre eigene Position sowie die Zeitbasis relativ zu den gemeinsamen Funkgeräten berechnen, indem sie die Informationen, z.B. Position, Sendezeitstempel, in den Baken der gemeinsamen Funkgeräte mit zusätzlichen Empfangszeitstempeln in der eigenen Zeitbasis für jede Bake nutzen sowie die Entfernung zwischen den Funkgeräten über die Laufzeitverzögerung und die Nutzung der Lichtgeschwindigkeit berechnen.
In einem ersten Schritt des Verfahrens bestimmt jedes Benutzergerät - z.B. ein erstes Benutzergerät, das die Kommunikation initiiert, und ein zweites Benutzergerät, das als Kommunikationspartner ausgewählt wird - einen freien Zeitslot des gemeinsamen Kanals, d.h. das erste Benutzergerät einen ersten freien Zeitslot und das zweite Benutzergerät einen zweiten freien Zeitslot. Der freie Zeitslot ist eine Funktion der Anzahl der benachbarten Benutzergeräte. Andere Aspekte oder Variablen können ebenfalls berücksichtigt werden. Vorzugsweise verwenden alle Benutzergeräte das gleiche Verfahren zur Bestimmung des freien Zeitslots. Die Anzahl der benachbarten Benutzergeräte kann von einem parallelen Prozess ermittelt werden, der diese Anzahl z.B. in einen gemeinsamen Speicher schreibt oder sie z.B. durch Nachrichtenübermittlung und/oder andere Prozesskommunikationsverfahren an den Prozess übermittelt, der diese Methode ausführt. Es ist zu beachten, dass die Bestimmung eines „freien“ Zeitslots nicht bedeutet, dass die Methode eine Art Garantie für eine Kollisionsvermeidung innerhalb des bestimmten „freien“ Zeitslots bietet. Die Wahrscheinlichkeit einer Kollisionsvermeidung innerhalb des ermittelten „freien“ Zeitslots ist jedoch bemerkenswert hoch. Es kann Maßnahmen geben, um eine Kollision zu erkennen. In einem solchen (seltenen) Fall können zumindest einige Teile des Verfahrens wiederholt werden.
Vor dem Senden am ersten und zweiten freien Zeitslot kann eine frühere Bake - durch das erste bzw. zweite Benutzergerät - gesendet worden sein, die den ersten und zweiten freien Zeitslot für das erste bzw. zweite Benutzergerät reserviert.
Nachdem das erste Benutzergerät einen ersten freien Zeitslot ermittelt hat, sendet es zu diesem ersten freien Zeitslot über den gemeinsamen Kanal eine Verbindungsanforderungsbake. Die Verbindungsanforderungsbake umfasst mindestens eine Identifikation des ersten Benutzergeräts, eine Identifikation des zweiten Benutzergeräts und eine erste Kanalliste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle des ersten Benutzergeräts.
Die von dem ersten Benutzergerät gesendete Verbindungsanforderungsbake wird dann von dem zweiten Benutzergerät empfangen. Als Reaktion auf die empfangene Verbindungsanforderungsbake bestimmt das zweite Benutzergerät eine Kommunikationsverbindung. Die Kommunikationsverbindung umfasst mindestens das erste und das zweite Benutzergerät, einen Punkt-zu-Punkt-Kanal, einen Kommunikationsstartslot und eine Kommunikationsdauer. Der Kommunikationsstartslot kann als absolute Zeit oder als Abstand (in Anzahl von Zeitslots) vom aktuellen Zeitslot angegeben werden. Die Kommunikationsverbindung kann weitere Angaben enthalten.
Der Punkt-zu-Punkt-Kanal ist ein Kanal der ersten Kanalliste. Die Kanalliste für jedes Benutzergerät - d.h. die erste Kanalliste für das erste Benutzergerät, die zweite Kanalliste für das zweite Benutzergerät, usw. - kann vor dem Start des Verfahrens festgelegt werden. Die Kanalliste kann als weiße Liste (Whitelist, d.h. Kanäle, deren Nutzung erlaubt ist), als schwarze Liste (Blacklist, d.h. Kanäle, deren Nutzung verboten ist) oder als vollständige Liste von Kanälen gespeichert werden, wobei jeder Kanal entweder als „erlaubt“ oder „verboten“ markiert ist. In einer Ausführungsform kann die vollständige Liste der Kanäle 409 Kanäle umfassen, z.B. aus Gründen der Kompatibilität mit LDACS.
Ein Beispiel: Die erste Kanalliste (PP-list_A), die von dem ersten Benutzergerät gesendet wird, lautet: PP-list_A = { PP2, PP6, PP8, PP12 }; und die zweite Kanalliste (PP-list_B), die vom zweiten Benutzergerät (irgendwann früher) festgelegt wurde, lautet: PP-list_B = { PP3, PP6, PP8 }; dann kann das zweite Benutzergerät PP6 oder PP8 als den für die Kommunikation zu verwendenden Punkt-zu-Punkt-Kanal auswählen.
Nachdem das zweite Benutzergerät die Kommunikationsverbindung ermittelt hat, sendet es in dem zweiten freien Zeitslot über den gemeinsamen Kanal eine Verbindungsantwortbake, die die Kommunikationsverbindung enthält. Die Verbindungsantwortbake verhindert, dass andere Benutzergeräte diesen Punkt to-point-Kanal für diese reservierten Zeitslots verwenden.
Dann empfängt das zweite Benutzergerät die Verbindungsantwortbake. Und das erste Benutzergerät und das zweite Benutzergerät können entsprechend der Kommunikationsverbindung miteinander kommunizieren, d.h. über den reservierten Punkt-zu-Punkt Kanal, für die reservierten Zeitslots, usw.
Diese Methode bringt mehrere Vorteile für die Kommunikation auf einer Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen. So ist es beispielsweise auch für eine große Anzahl von Benutzergeräten skalierbar. Außerdem hat sie eine kurze Latenzzeit, d.h. eine kurze Zeit von der Verbindungsanforderung bis zur Kommunikation auf der Kommunikationsverbindung. Die Methode hat eine deterministische Latenzzeit, sobald die Kommunikation auf dem PP-Link aufgebaut ist. Sie hat einen hohen Durchsatz an Kommunikationsnachrichten, sowohl auf dem gemeinsamen Kanal als auch auf den Punkt-zu-Punkt-Kanälen. Darüber hinaus ist die Überlastung des gemeinsamen Kanals sehr gering, da die Datenkommunikation auf die Punkt-zu-Punkt-Kanäle verlagert wird.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der erste und/oder der zweite freie Zeitslot eine Funktion der Anzahl der benachbarten Benutzergeräte und einer Kollisionswahrscheinlichkeit, und/oder der erste und/oder der zweite freie Zeitslot wird bestimmt durch $k (n, q) = int (round (\frac{1}{1 - \sqrt[n]{1 - q}}))$
wobei k der erste und/oder der zweite freie Zeitslot, n die Anzahl der benachbarten Benutzergeräte und q die Kollisionswahrscheinlichkeit ist. Die Anzahl der benachbarten Benutzergeräte kann durch einen separaten Prozess bestimmt werden, der die von verschiedenen Benutzergeräten gesendeten Baken überwacht. Die durch den separaten Prozess ermittelte Anzahl benachbarter Benutzergeräte kann sich von einer „realen aktuellen“ Anzahl benachbarter Benutzergeräte geringfügig unterscheiden, da - insbesondere in Flugzeugen - Benutzergeräte recht schnell in eine „Funkzone“ oder „Funkreichweite“ (eine Entfernung, innerhalb derer sie mit den ersten Benutzergeräten kommunizieren können) kommen können und/oder die Benutzergeräte auch recht schnell aus der Funkreichweite herausgehen können.
In einigen Ausführungsformen liegt die Kollisionswahrscheinlichkeit q zwischen 0,1 und 0,9, zwischen 0,5 und 0,8, zwischen 0,6 und 0,7 und/oder wird auf q = 1 - 1/e (e: Eulersche Zahl) gesetzt. Grundsätzlich kann die Kollisionswahrscheinlichkeit q, die in der obigen Formel verwendet wird, zufällig gewählt werden, d.h. unter der Annahme, dass ein Nutzergerät eine gute Schätzung der Anzahl seiner Nachbarn n hat, kann die Zielkollisionswahrscheinlichkeit q innerhalb des breitesten oben genannten Bereichs gewählt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt und kann mathematisch bewiesen werden, dass sich ein Wert von „1 - 1/e“ für diese Methode statistisch am besten verhält. Um eine grundlegende Vorstellung von diesem Beweis zu vermitteln: Unter der Annahme, dass die Berechnung von k bekannt ist, wird von jedem Nutzergerät eine erwartete Anzahl von Zeitslots k/2 (d.h. p = 0,5 für eine Gleichverteilung zwischen 0 und 1) verwendet, wenn alle nächsten k Zeitslots unbesetzt sind, und p > 0,5 andernfalls. Daher ist p=0,5 eine untere Schranke für den Erwartungswert der Paketverzögerung dieses Kanalzugriffs, da im Durchschnitt mindestens k/2 Zeitslots vor dem Kanalzugriff vergehen werden. Die erwartete Verzögerung bis zum erfolgreichen Empfang des Pakets beträgt somit $d (n, q) = \frac{1}{1 - q} \cdot \frac{k (n, q)}{2}$
Diese Funktion ist in 6 eingezeichnet. Die grafische Darstellung vermittelt den intuitiven Eindruck, dass das Minimum der Funktion bei q = 1 - 1/e liegt. Die Grafik in 7 zeigt eine partielle Ableitung der Funktion aus 6 nach q. Für eine wachsende Anzahl von Nachbarn n nähert sich die Kurve einem Wert von q = 1 - 1/e.
In einer Ausführungsform kann sich die Frequenz des gemeinsam genutzten Kanals - SH und/oder VC - z.B. vorübergehend entsprechend einem zusätzlichen Protokoll ändern.
In verschiedenen Ausführungsformen wird das Verfahren in einem L-Band Digital Aeronautical Communications System, LDACS, insbesondere für die Luft-Luft (A/A) Kommunikation eingesetzt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise - z.B. innerhalb einer Funkreichweite eines bodengestützten „Legacy“-LDACS-Systems - eine Koexistenz zwischen dem nach dem Legacy-Prinzip betriebenen LDACS-System und dem oben und/oder unten beschriebenen Kommunikationssystem. Insbesondere in Gebieten außerhalb der Funkreichweite eines bodengestützten LDACS-Systems kann das oben und/oder unten beschriebene Kommunikationssystem den Betrieb übernehmen, ohne dass eine Neujustierung und/oder andere zusätzliche Mittel erforderlich sind.
In verschiedenen Ausführungsformen hat jeder Kommunikationskanal der Punkt-zu-Punkt-Kanäle und des gemeinsam genutzten Kanals eine Bandbreite von 500 kHz, und/oder die Zeitslots sind für eine aufgebaute Kommunikationsverbindung gleich lang, wobei jeder Zeitslot eine Dauer von 6, 12 oder 24 Millisekunden hat. Das zugewiesene Frequenzband kann z.B. eine Gesamtbandbreite von 204 MHz in einem Frequenzband zwischen 960 MHz und 1164 MHz haben.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Verbindungsanforderungsbake und/oder die Verbindungsantwortbake außerdem mindestens eines der folgenden Elemente: eine geografische Position des ersten Benutzergeräts und/oder eine Zeitsynchronisationsinformation.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Vor der Bestimmung des ersten freien Zeitslots, Bestimmung der Kanalliste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle für jedes Benutzergerät des Kommunikationssystems. Dies kann z.B. vor dem Start des Verfahrens geschehen. Bei Flugzeugen kann dies z.B. vor dem Start des Flugzeugs geschehen. Die Liste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle - und/oder die zu verwendende Gesamtbandbreite - kann für jedes Land begrenzt sein, z.B. durch Gesetze.
In einigen Ausführungsformen wird die Liste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle für eine Liste von Regionen bestimmt. Jede Region der Liste von Regionen kann durch ein Polygon begrenzt sein, wobei das Polygon z.B. durch eine geordnete Menge von Punkten bestimmt wird, wobei jedes Paar von Punkten durch eine geometrische Funktion, z.B. eine Linie, eine Parabel und/oder eine andere geometrische Funktion, verbunden ist. In einer Ausführungsform kann das Polygon ein Sechseck sein.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt: Vor dem Bestimmen des ersten freien Zeitslots, Bestimmen einer Anzahl von benachbarten Kommunikationspunkten, wobei das Bestimmen auf empfangenen Kommunikationsbaken basiert. Es kann Benutzergeräte geben, die nicht antworten können, z.B. Benutzergeräte, die neu in der „Funkzone“ ankommen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Kommunikationsverbindung ferner mindestens eine Gesamtdauer der Kommunikationsverbindung, eine Gesamtzahl von Kommunikationsbursts, wobei jeder Burst entweder aus einer ersten Länge von Kommunikationszeitslots für das erste Benutzergerät oder einer zweiten Länge von Kommunikationszeitslots für das zweite Benutzergerät besteht, und/oder eine Länge von Pausen zwischen den Kommunikationszeitslots. Die Länge kann in Zeitslots gemessen werden. Die erste Länge kann von der zweiten Länge verschieden oder gleich sein. Innerhalb eines jeden Bursts darf nur eines der Benutzergeräte kommunizieren.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren für eine Sprachkommunikation zwischen einem ersten Benutzergerät und einem zweiten Benutzergerät in einem Kommunikationssystem, wobei das Kommunikationssystem eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen und einen Sprachkanal umfasst und wobei die Kommunikation in Zeitslots gleicher Länge organisiert ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestimmen eines ersten freien Zeitslots des Sprachkanals durch die erste Benutzervorrichtung, wobei der erste freie Zeitslot eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzervorrichtungen ist; und/oder Bestimmen eines zweiten freien Zeitslots des Sprachkanals durch die zweite Benutzervorrichtung, wobei der zweite freie Zeitslot eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzervorrichtungen ist; Kommunizieren auf dem Sprachkanal durch die erste Benutzervorrichtung und/oder die zweite Benutzervorrichtung in dem ersten freien Zeitslot und/oder in dem zweiten freien Zeitslot; und Informieren des Empfängers über den nächsten Zeitslot, der für die nächste Sprachdatenpaketübertragung verwendet wird.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der erste und/oder der zweite freie Zeitslot eine Funktion der Anzahl der benachbarten Benutzergeräte und einer Kollisionswahrscheinlichkeit, und/oder der erste und/oder der zweite freie Zeitslot wird durch Gleichung 1 (Gl. 1) bestimmt: $k (n, q) = int (round (\frac{1}{1 - \sqrt[n]{1 - q}}))$
wobei k der erste und/oder der zweite freie Zeitslot, n die Anzahl der benachbarten Benutzergeräte und q die Kollisionswahrscheinlichkeit ist. In einigen Ausführungsformen liegt die Kollisionswahrscheinlichkeit q zwischen 0,1 und 0,9, zwischen 0,4 und 0,8, zwischen 0,6 und 0,7 und/oder ist auf q = 1 - 1/e (e: Eulersche Zahl) festgelegt.
Ein Aspekt bezieht sich auf ein Benutzergerät, das für die Ausführung eines Verfahrens wie oben und/oder unten beschrieben ausgelegt ist.
Ein Aspekt bezieht sich auf ein Kommunikationssystem, das mindestens ein erstes und ein zweites Benutzergerät umfasst, wobei das Kommunikationssystem und/oder das erste und das zweite Benutzergerät für die Ausführung eines Verfahrens, wie oben und/oder unten beschrieben, eingerichtet sind.
Ein Aspekt betrifft ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium mit einem darin gespeicherten Programm, das, wenn es auf einem Prozessor einer Kommunikationsvorrichtung ausgeführt wird, die Vorrichtung anweist, ein Verfahren wie oben und/oder unten beschrieben durchzuführen.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiele zu betrachten, aber nicht als einschränkend.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen stellen dar:

1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationsszenarios gemäß einer Ausführungsform;
2 einen schematischen Überblick über die Kommunikationskanäle und Zeitslots;
3 eine schematische Darstellung eines Kommunikationsverfahrens gemäß einer Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung eines Kommunikationsverfahrens gemäß einer Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung der verwendeten Kommunikationskanäle und Zeitslots;
6 einen Graph zu Gl. 2;
7 einen Graph einer Ableitung von Gl. 2.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Kommunikationsszenario gemäß einer Ausführungsform. Das Kommunikationsszenario zeigt eine Vielzahl von Flugzeugen A und B1 - B4 und eine Bodenstation G, die über Kommunikationsgeräte oder Benutzergeräte verfügen, die zur Durchführung einer Kommunikation gemäß einer Ausführungsform geeignet und/oder ausgelegt sind. Die Benutzergeräte der Flugzeuge A und B1 - B4 und die Bodenstation G sind Teil eines Kommunikationssystems S. Das Benutzergerät von A kann derzeit mit den Benutzergeräten von B1 - B3 kommunizieren. Das Benutzergerät von B4 kann sich derzeit außerhalb der Reichweite befinden, d.h. nicht in einer „Funkzone“ oder „Funkreichweite“, d.h. nicht innerhalb einer Entfernung, in der A mit B4 kommunizieren kann. Das Benutzergerät von A kann mit dem Benutzergerät von G kommunizieren oder auch nicht. Dies spielt jedoch für die Kommunikationsmethode keine wesentliche Rolle, da die Bodenstation wie jeder andere Benutzer behandelt werden kann, d.h. die Bodenstation fungiert nicht als zentrales (steuerndes) Element. Die Anzahl der benachbarten Benutzergeräte kann für jedes der Benutzergeräte von A, B1 bis B4 und G durch einen separaten Prozess bestimmt werden, der die von verschiedenen Benutzergeräten gesendeten Baken überwacht.
2 zeigt schematisch eine Übersicht über Kommunikationskanäle und Zeitslots des Kommunikationssystems S. Die Kommunikation innerhalb des Kommunikationssystems S kann in Zeitslots gleicher Länge organisiert sein, wobei „gleiche Länge“ nicht unbedingt bedeutet, dass nur ein Zeitslot definiert oder erlaubt ist. Es kann mehrere Arten von Zeitslots gleicher Länge geben, z.B. Zeitslots gleicher Länge, die jeweils eine Dauer von z.B. 6, 12 oder 24 Millisekunden haben. Die Art der gleich langen Zeitslots kann zwischen den Benutzergeräten vor jeder Kommunikation auf den Punkt-zu-Punkt-Kanälen vereinbart werden. Eine Zeitslot-Startzeit „t=0“ kann durch das Protokoll des Kommunikationssystems vordefiniert werden. Das Kommunikationssystem S kann n Punkt-zu-Punkt-Kanäle PP1 - PPn und genau einen gemeinsam genutzten Kanal SH umfassen. Zusätzlich kann das Kommunikationssystem S einen oder mehrere Broadcast-Sprachkanäle VC umfassen. Jeder der Kommunikationskanäle kann die gleiche Bandbreite haben, z.B. 500 MHz.
3 zeigt schematisch ein Nachrichtenablaufdiagramm (Message Sequence Chart) 100, das ein Kommunikationsverfahren zwischen Benutzergeräten A und B auf dem Kommunikationssystem S gemäß einer Ausführungsform darstellt. In einem Schritt 102 bzw. 104 wird eine erste Kanalliste PP-list_A bzw. eine zweite Kanalliste PP-list_B ermittelt. Dies kann vor einem Start 106 des Verfahrens oder, als Beispiel, eines Flugzeugs mit Benutzergeräten A oder B erfolgen.
In einem Schritt 110 bestimmt A einen ersten freien Zeitslot k_1A des gemeinsam genutzten Kanals SH, wobei der erste freie Zeitslot k_1A eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Nutzergeräten n ist. Die Anzahl der benachbarten Nutzergeräte n kann in einem separaten Verfahren in einem Schritt 108 bestimmt werden. Gleichzeitig mit Schritt 110 oder zu einem anderen Zeitpunkt kann ein Benutzergerät B in einem Schritt 112 einen zweiten freien Zeitslot k_1B des gemeinsamen Kanals SH bestimmen. B kann im Wesentlichen das gleiche Verfahren wie A verwenden. In einem Schritt 114 sendet A in dem ersten freien Zeitslot k_1A eine Verbindungsanforderungsbake bc_req über den gemeinsamen Kanal SH. Die Verbindungsanforderungsbake bc_req kann eine Kennung id_A von A, eine Kennung id_B von B (das Gerät, mit dem A kommunizieren möchte) und eine erste Kanalliste verfügbarer Punkt-zu-Punkt-Kanäle PP-list_A von A enthalten. In einem Schritt 116 empfängt B die Verbindungsanforderungsbake bc_req. In einem Schritt 118 bestimmt B eine Kommunikationsverbindung PP-link, wobei die Kommunikationsverbindung PP-link das erste und das zweite Benutzergerät A, B, einen Punkt-zu-Punkt-Kanal PPi, einen Kommunikationsstartslot cs, eine Kommunikationsdauer cd umfasst; der Punkt-zu-Punkt-Kanal PPi ist ein Kanal aus der ersten Kanalliste PP-list_A. In einem Schritt 120 sendet B in dem zweiten freien Zeitslot k_1B über den gemeinsamen Kanal SH eine Verbindungsantwortbake bc_rp. Die Verbindungsantwortbake bc_rp umfasst die Kommunikationsverbindung PP-link. In einem Schritt 122 empfängt B die Verbindungsantwortbake bc_rp. In einem Schritt 124 und 126 kommunizieren A und B miteinander gemäß der Kommunikationsverbindung PP-link, d.h. auf dem Kanal PPi und nach anderen Regeln, die zwischen A und B gemäß dem Verfahren und dem Protokoll des Kommunikationssystems S vereinbart wurden.
4 zeigt schematisch ein Kommunikationsverfahren gemäß einer Ausführungsform. Die Kommunikation beginnt an einem Kommunikationsstartslot cs. Die Kommunikation zeigt NL=3 sichtbare Kommunikationsbursts und weitere, die durch Punkte angezeigt werden. Die Kommunikation dauert eine Kommunikationsdauer cd. Jeder Kommunikationsburst kann eine von A gesendete Kommunikation oder eine von B gesendete Kommunikation mit einer Kommunikationslänge von Ltx bzw. Lrx enthalten. Die Startzeit cs kann durch einen Offset ausgedrückt werden, z.B. vom Zeitslot „jetzt“. 5 zeigt schematisch eine Skizze der verwendeten Kommunikationskanäle und Zeitslots, d.h. die Kommunikation von 4, die in 2 abgebildet ist. Ein Teil der Kommunikation (Schritt 114 von 3) findet im Zeitslot k_1a statt. Ein anderer Teil der Kommunikation (Schritt 120 von 3) findet im Zeitslot k_1b statt. Die Kommunikation zwischen A und B beginnt im Zeitslot cs und dauert bis cs+cd. Die Startzeit cs kann durch einen Offset ausgedrückt werden, z.B. vom Zeitslot k_1b. Die Kommunikation umfasst (anders als in 4) NL=2 Kommunikationsbursts.

Claims

Verfahren für eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen einem ersten Benutzergerät (A) und einem zweiten Benutzergerät (B) in einem Kommunikationssystem (S), wobei das Kommunikationssystem (S) eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen (PP1 - PPn) und genau einen gemeinsam genutzten Kanal (SH) umfasst und wobei die Kommunikation in Zeitslots gleicher Länge organisiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen, durch das erste Benutzergerät (A), eines ersten freien Zeitslots (k_1A) des gemeinsam genutzten Kanals (SH), wobei der erste freie Zeitslot (k_1A) eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten (n) ist; Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät (B), eines zweiten freien Zeitslots (k_1B) des gemeinsam genutzten Kanals (SH), wobei der zweite freie Zeitslot (k_1B) eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten (n) ist; Senden, durch das erste Benutzergerät (A), einer Verbindungsanforderungsbake (bc_req) in dem ersten freien Zeitslot (k_1A) über den gemeinsamen Kanal (SH), wobei die Verbindungsanforderungsbake (bc_req) eine Identifikation (id_A) des ersten Benutzergeräts (A), eine Identifikation (id_B) des zweiten Benutzergeräts (B) und eine erste Kanalliste verfügbarer Punkt-zu-Punkt-Kanäle (PP-list_A) des ersten Benutzergeräts (A) umfasst; Empfangen, durch das zweite Benutzergerät (B), der Verbindungsanforderungsbake (bc_req), Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät (B), einer Kommunikationsverbindung (PP-Link), wobei die Kommunikationsverbindung (PP-Link) das erste und das zweite Benutzergerät (A, B), einen Punkt-zu-Punkt-Kanal (PPi), einen Kommunikationsstartslot (cs), und eine Kommunikationsdauer (cd) umfasst, wobei der Punkt-zu-Punkt-Kanal (PPi) ein Kanal der ersten Kanalliste (PP-list_A) ist; Senden, durch das zweite Benutzergerät (B), einer Verbindungsantwortbake (bc_rp) in dem zweiten freien Zeitslot (k_1B) über den gemeinsamen Kanal (SH), wobei die Verbindungsantwortbake (bc_rp) die Kommunikationsverbindung (PP-Link) umfasst; Empfangen, durch das zweite Benutzergerät (B), der Verbindungsantwortbake (bc_rp); und Kommunizieren, durch das erste Benutzergerät (A) und das zweite Benutzergerät (B), gemäß der Kommunikationsverbindung (PP-Link).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und/oder der zweite freie Zeitslot (k_1A, k_1B) eine Funktion der Anzahl der benachbarten Benutzergeräte (n) und einer Kollisionswahrscheinlichkeit (q) ist, und/oder der erste und/oder der zweite freie Zeitslot (k_1A, k_1B) bestimmt wird durch $k (n, q) = int (round (\frac{1}{1 - \sqrt[n]{1 - q}}))$
mit: k ∈ { k_1A, k_1B } n: Anzahl der benachbarten Benutzergeräte (n), q: Kollisionswahrscheinlichkeit.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kollisionswahrscheinlichkeit q zwischen 0,1 und 0,9, zwischen 0,4 und 0,8, zwischen 0,6 und 0,7 liegt und/oder auf q = 1 - 1/e eingestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem L-Band Digital Aeronautical Communications System, LDACS, insbesondere für die Luft-Luft-Kommunikation (A/A) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsanforderungsbake (bc_req) und/oder die Verbindungsantwortbake (bc_rp) weiterhin mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: eine geografische Position des ersten Benutzergeräts (A) und/oder eine Zeitsynchronisationsinformation.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: vor der Bestimmung des ersten freien Zeitslots (k_1A), Bestimmen, für jedes Benutzergerät (A, B) des Kommunikationssystems, der Kanalliste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle (PP-list_A, PP-list_B).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Liste der verfügbaren Punkt-zu-Punkt-Kanäle (PP-list_A, PP-list_B) für eine Liste von Regionen bestimmt wird, wobei jede Region der Liste der Regionen durch ein Polygon begrenzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst ferner den Schritt: vor dem Bestimmen des ersten freien Zeitslots (k_1A), Bestimmen einer Anzahl von benachbarten Kommunikationspunkten (n), wobei das Bestimmen auf empfangenen Kommunikationsbaken basiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationsverbindung (PP-Link) ferner aufweist: mindestens eines von einer Gesamtdauer der Kommunikationsverbindung (To), einer Gesamtzahl von Kommunikationszeitslots (NL), wobei jeder Zeitslot (NL) aus einer ersten Länge von Kommunikationszeitslots (Ltx) für das erste Benutzergerät (A), einer zweiten Länge von Kommunikationsbursts (Lrx) für das zweite Benutzergerät (B) und/oder einer Länge von Pausen (Lp) zwischen den Kommunikationsbursts (NL) besteht.
Verfahren für eine Sprachkommunikation zwischen einem ersten Benutzergerät (A) und einem zweiten Benutzergerät (B) in einem Kommunikationssystem, wobei das Kommunikationssystem eine Vielzahl von Punkt-zu-Punkt-Kanälen (PP1 - PPn) und einen Sprachkanal (VC) umfasst und wobei die Kommunikation in Zeitslots gleicher Länge organisiert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen, durch das erste Benutzergerät (A),eines ersten freien Zeitslots (k_1A) des Sprachkanals (VC), wobei der erste freie Zeitslot (k_1A) eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten (n) ist; und/oder Bestimmen, durch das zweite Benutzergerät (B), eines zweiten freien Zeitslots (k_1B) des Sprachkanals (VC), wobei der zweite freie Zeitslot (k_1B) eine Funktion einer Anzahl von benachbarten Benutzergeräten (n) ist; Kommunizieren, durch das erste Benutzergerät (A) und/oder das zweite Benutzergerät (B), auf dem Sprachkanal (VC) im ersten freien Zeitslot (k_1A) und/oder im zweiten freien Zeitslot (k_1B); und Informieren des Empfängers über den nächsten Zeitslot (k_1A, k_1B), der für die Übertragung des nächsten Sprachdatenpakets verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste und/oder der zweite freie Zeitslot (k_1A, k_1B) eine Funktion der Anzahl der benachbarten Benutzergeräte (n) und einer Kollisionswahrscheinlichkeit (q) ist, und/oder die erste und/oder die zweite freie Zeitspanne (k_1A, k_1B) wird bestimmt durch $k (n, q) = int (round (\frac{1}{1 - \sqrt[n]{1 - q}}))$
mit: k ∈ { k_1A, k_1B} n: Anzahl der benachbarten Benutzergeräte (n), q: Kollisionswahrscheinlichkeit.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kollisionswahrscheinlichkeit q zwischen 0,1 und 0,9, zwischen 0,4 und 0,8, zwischen 0,6 und 0,7 liegt und/oder auf q = 1 - 1/e eingestellt ist.
Benutzergerät (A, B), das für die Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Kommunikationssystem (S) umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Benutzergerät (A, B), wobei das Kommunikationssystem (S) und/oder das erste und das zweite Benutzergerät (A, B) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet sind.
Nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium mit einem darin gespeicherten Programm, das, wenn es auf einem Prozessor einer Kommunikationsvorrichtung (A, B) ausgeführt wird, die Vorrichtung (A, B) anweist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.