DE10223546A1

DE10223546A1 - Verfahren und System für intelligenten Handover in heterogenen drahtlosen Netzen

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Publication number: DE10223546A1
Application number: DE10223546A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang J Liebl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-26
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Ein mobiler Knoten bewegt sich in den Funkfeldern einer Vielzahl heterogener drahtloser Netze. Das durch seine Mobilität bedingte Betreten und Verfassen von Funkbereichen verschiedener Netze sowie wechselnde Anforderungen an die Kommunikation machen einen Handover erforderlich. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System, wobei das System insbesondere einen mobilen Knoten wie ein mobiles Endgerät oder ein mobiles Zwischensystem umfaßt. Das Verfahren und das System ermöglichen es, Sprach- oder Datenverbindungen, die über Funknetze unterschiedlicher Technologien oder Funknetze verschiedener Netzbetreiber verlaufen, beim Handover ohne Qualitätsbeeinträchtigungen bzw. ohne Verbindungsabriß umzulenken. Dazu müssen die Netze nicht auf dem gleichen Protokoll basieren. DOLLAR A Als Teil des Systems können Server-Systeme für den Ortsinformationsdienst und den Netzeigenschaftsdienst zum Einsatz kommen. Sie unterstützen die Durchführung des Handover in heterogenen Netzen. Der mobile Knoten kann von ihnen geographische Informationen über die Gestalt ihrer Funkfelder und weitgehende Details ihrer Eigenschaften auch ohne direkten Funkkontakt zu ihnen abfragen und für seine Handoverplanung verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System für intelligenten Handover in heterogenen drahtlosen Netzen, wobei das System insbesondere einen mobilen Knoten wie ein mobiles Endgerät oder ein mobiles Zwischensystem umfaßt.
Ferner betrifft die Erfindung Server-Systeme für den Ortsinformationsdienst und den Netzeigenschaftsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen und Verfahren zu deren Betrieb.
Ferner betrifft die Erfindung Client-Systeme für den Ortsinformationsdienst und den Netzeigenschaftsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen und Verfahren zu deren Betrieb.
Ein mobiler Knoten bewegt sich in den Funkfeldern einer Vielzahl heterogener drahtloser Netze. Das durch seine Mobilität bedingte Betreten und Verlassen von Funkbereichen verschiedener Netze sowie wechselnde Anforderungen an die Kommunikation machen einen Handover erforderlich.
Als Handover in heterogenen drahtlosen Netzen im Sinne dieser Anmeldung kommen Handover jeglicher Art in Betracht, bei denen die Menge aktiver Verbindungen des mobilen Knotens zu Funknetzen durch Verbindungsaufbau bzw. Verbindungsabbau verändert wird und die Kommunikationsflüsse auf die aktiven Verbindungen der neuen Menge umgeleitet werden. Dabei laufen die Verbindungen typischerweise über Funknetze unterschiedlicher Technologien, also mit unterschiedlichen Luftschnittstellen, Dienstgüten (QoS) und weiteren technischen Eigenschaften, oder Funknetze verschiedener Netzbetreiber.
Der Funkbereich einer Basisstation erstreckt sich auf das Gebiet, in dem die Funkfeldstärke zur Kommunikation ausreichend hoch ist. Der Funkbereich eines Netzes umfaßt die Funkbereiche all seiner Basisstationen. Geographische Funkfeldinformationen geben für den Funkbereich einer oder mehrerer Basisstationen an, wie hoch die Funkfeldstärke an welchem Punkt ist oder wo die Grenzen des Funkbereichs sind. Dabei kann es sich um 2- oder 3-dimensionale Punkte handeln, je nachdem ob nur eine Ebene oder auch die Höhenkoordinate berücksichtigt werden soll.
Bisherige Handover-Verfahren für homogene drahtlose Netze funktionieren nur, weil deren Funkzellen die gleiche Luftschnittstelle haben und sie mit einer gemeinsamen Signalisierung den Handover durchführen. Es erweist sich als nachteilig, daß für einen Handover zwischen homogenen drahtlosen Netzen verschiedener Netzbetreiber ein Roaming-Verfahren benötigt wird, das die Abrechnung der Kommunikationsgebühren über den Netzbetreiber des Benutzers ermöglicht.
Herkömmliche Handover-Verfahren für heterogene drahtlose Netze bieten lediglich Speziallösungen für einige wenige Aspekte des Handover in heterogenen drahtlosen Netzen an. Herkömmliche Handover-Verfahren überwachen die Kanalqualität (OSI Schicht 1) oder "beacon frames" (OSI Schicht 2), um das Betreten oder Verlassen des Funkbereichs eines Netzes zu entdecken. Dadurch kann es nachteiligerweise beim Verlassen des Funkbereichs eines Netzes zu einer Beeinträchtigung der Kommunikationsflüsse durch Jitter oder sogar zu ihrem Abriß kommen, weil in der kurzen Zeit des Verlassens nicht eine Verbindung zu einem anderen Netz aufgebaut werden und die Flüsse auf andere Netze umgeleitet werden können.
Herkömmliche Handover-Verfahren verwenden zur Netzauswahl, die sich immer auf nur ein Netz beschränkt, einfache Heuristiken wie "kommuniziere immer über das billigste Netz" oder "kommuniziere immer über das Netz, mit der höchsten Datenrate". Es ist ein Nachteil, daß sie nicht erkennen können, ob der Handover in ein anderes Netz überhaupt sinnvoll ist. Es kann nämlich passieren, daß der mobile Knoten den Funkbereich des anderen Netzes schon wieder verläßt, noch bevor der Knoten eine Verbindung aufbauen und darüber kommunizieren konnte. Es ist ein weiterer Nachteil, daß sie nicht komplexere Präferenzstrukturen eines Benutzers oder die speziellen Anforderungen bestimmter Flußtypen an das Kommunikationsmedium berücksichtigen können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Durchführung des Handover anzugeben, das in heterogenen Netzen anwendbar ist.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das auch bei parallelem Kommunizieren über eine Vielzahl von möglicherweise heterogenen Netzen anwendbar ist.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das die Grenzen des Funkbereichs eines Netzes schon vor seinem Betreten oder Verlassen in Erfahrung bringen kann.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das den voraussichtlichen Zeitpunkt des Betretens bzw. Verlassens des Funkbereichs eines Netzes sowie die Eigenschaften des Netzes schon vor seinem Betreten bzw. Verlassen berücksichtigen kann.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das aus den zu einem bestimmten Zeitpunkt nutzbaren Netzen die nach vorher festgelegten Kriterien besten für die Kommunikation auswählen kann.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das Verbindungen zu Netzen zu vorher berechneten Zeitpunkten gerade rechtzeitig aufbauen bzw. abbauen kann.
Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Handover-Verfahren anzugeben, das Kommunikationsflüsse ("Flüsse") des mobilen Knotens auf die Menge seiner aktiven Verbindungen nach einer vorher festgelegten Zuteilungsregel verteilen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System vorzuschlagen, mit dem derartige technische Verfahren zur Durchführung des Handover ausgeführt werden können.
Die das Verfahren betreffenden Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise aus der vorhergesagten Bewegungsbahn des mobilen Knotens und den geographischen Funkfeldinformationen über in der Nähe gelegene Funkbereiche berechnet, wo und insbesondere wann welcher Funkbereich betreten oder verlassen wird. Dies hat den Vorteil, ein genaues und vorausschauendes Handover-Timing zu ermöglichen und dadurch einer Beeinträchtigung der Kommunikationsflüsse durch Jitter oder gar ihrem Abriß vorzubeugen.
Weiter kann aus der vorher bestimmten Dauer des Verbindungsaufbaus berechnet werden, ab wann nach dem Betreten eines Funkbereichs das zugehörige Netz zur Kommunikation genutzt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß Flüsse während des Verbindungsaufbaus noch über andere Netze verlaufen können und die Kommunikation nicht beeinträchtigt wird.
Aus der vorher bestimmten Dauer für das Umleiten der Flüsse kann berechnet werden, wann mit dem Umleiten von Flüssen begonnen werden muß, um gerade rechtzeitig zum vorher berechneten Zeitpunkt für den Kommunikationsbeginn fertig zu werden. Dies hat ebenfalls den Vorteil, daß Flüsse während des Verbindungsaufbaus noch über andere Netze verlaufen können und die Kommunikation nicht beeinträchtigt wird. Zudem kann die neue Verbindung bereits ab dem frühest möglichen Zeitpunkt genutzt werden.
Weiter kann aus der vorher bestimmten Dauer des Verbindungsaufbaus zu anderen Netzen berechnet werden, wann mit dem Umleiten der Flüsse begonnen werden muß, um gerade rechtzeitig vor dem Verlassen eines Funkbereichs und dem damit verbundenen Verbindungsabbruch fertig zu werden.
Das Auswählen eines oder mehrerer Netze für die Kommunikation, sowie die Berechnung einer Flußverteilung über der ausgewählten Menge der Netze erfolgen vorzugsweise zu dem Zeitpunkt, an dem ein Funkbereich betreten oder verlassen wird oder an dem ein Fluß erzeugt oder beendet wird. Dies hat den Vorteil, daß diese Berechnungen immer nur dann gemacht werden, wenn sich das Ergebnis verändern kann.
Für das Umleiten der Flüsse wird vorausgesetzt, daß die verwendeten Netze über einen Anschluß an ein gemeinsames Netz wie z. B. das Internet verfügen und das selbe Protokoll für die Vermittlungsschicht des mobilen Knotens (z. B. IP) transportieren können. Darüber werden sowohl Pakete mit Nutzdaten der Flüsse als auch Pakete der Signalisierungsprotokolle (z. B. Mobilitätsprotokolle oder Ressoucenreservierungsprotokolle) transportiert.
Das Umleiten beim mobilen Knoten eingehender Flüsse erfolgt mit Hilfe eines Mobilitätsprotokolls, wie z. B. Mobile-IP. Es gewährleistet die Erreichbarkeit eines mobilen Knotens unter seiner Heimatadresse auch dann, wenn es über andere Netze unterschiedlichster Technologie kommuniziert. Sollen eingehende Flüsse über verschiedene Netze geleitet werden können, so wird ein Mobilitätsprotokoll benötigt, das flußspezifisches Routing (Umleiten) ermöglicht, wie z. B. eine erweiterte Variante von Mobile-IP. Flußspezifisches Routing ermöglicht es, daß Flüsse z. B. je nach Typ über das am besten geeignete Zugriffsnetz verlaufen.
Einen vom mobilen Knoten ausgehenden Fluß lenkt man um, indem man das Routing im Knoten so anpaßt, daß ab sofort die Pakete des betroffenen Flusses über sein neues Netz gesendet werden. Dabei können optional umgekehrte Tunnels (reverse tunneling) zurück in das Heimatnetz eingesetzt werden.
Da der mobile Knoten den Handover steuert, kann die Rechnungsstellung und die zum Verbindungsaufbau nötige Authentifizierung auch über separate Systeme für Authentifizierung, Autorisierung und Abrechnung (AAA) erfolgen. Dies hat den Vorteil, daß auch zwischen Netzen ohne Roamingabkommen ein Handover möglich ist.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Auswertung von Informationen über die charakteristischen Übertragungseigenschaften oder die Tarifstruktur der für die Kommunikation in Betracht gezogenen Funkzellen bzw. der Netze, zu denen sie gehören. Darauf stützt sich in der Weiterbildung die Auswahl eines oder mehrerer Netze für die Kommunikation.
Diese Informationen können beim Einsatz in heterogenen Landschaften drahtloser Netze weit über das hinausgehen, was mobilen Endgeräten in herkömmlichen Netzen zur Verfügung steht. I. d. R. beschränken sie sich dort auf Angaben über die Qualität des Funkkanals, wie Signal- und Rauschpegel sowie seine Fehlerrate. Weitergehende Informationen können z. B. die maximale Übertragungskapazität einer Funkzelle und ihre momentane Auslastung sein oder grundlegenden Eigenschaften verfügbarer Trägerdienste wie z. B. der Vermittlungstyp (z. B. kanal- oder paketvermittelt). Weitere wichtige Beispiele sind die angebotene Dienstgüte (z. B. Übertragungsrate, Fehlerrate des Trägerdienstes oder die Verzögerung) und die tatsächliche Netzleistung (z. B. Durchsatz).
Vorzugsweise fragt der mobile Knoten Informationen über Netze und einzelne Funkzellen von einem rechnerfernen Netzeigenschaftsdienst ab. Der Netzeigenschaftsdienst kann von einem einzelnen Server angeboten werden. Er kann an einem beliebigen Punkt im Verbund der Funknetze angeschlossen sein, typischerweise jedoch im verbindenden Inter-Netzwerk (z. B. Internet).
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß bei dem mobilen Knoten Speicherplatz und Rechenleistung eingespart werden, weil die Daten nicht lokal auf dem mobilen Knoten gespeichert und bearbeitet werden müssen. Ein Netzeigenschaftsdienst stellt solche Netzinformationen unabhängig von einer speziellen Netztechnologie oder einem konkreten Zugangsnetz zur Verfügung. Ferner ist es ein Vorteil, daß auch Informationen zu einem Netz abgefragt werden können, zu dem noch kein Funkkontakt besteht. Es besteht gewissermaßen ein Gesamtüberblick über die Eigenschaften der erfaßten Netze. Die Informationen des Ortsinformationsdienstes können jederzeit aktuell gehalten werden, weil der zugehörige Server dauerhaft an den Netzverbund angeschlossen ist. Dies ist bei mobilen Knoten typischerweise nicht so. Die Pflege seiner Daten kann zentral erfolgen und ist damit einfacher, als wenn sie auf jedem mobilen Knoten eigens erfolgen muß.
Ein Server (vgl. Fig. 1, 210) kann die Charakteristika mehrerer Netze gesammelt bereitstellen. Dies wird erforderlich, falls in einem Funknetz kein lokaler Netzeigenschaftsserver vorhanden ist. Die Aktualität seiner Daten hängt vom Kompromiß zwischen dem Zeithorizont ihrer Gültigkeit und dem Verkehrsaufkommen ab, zu dem die Aktualisierungen führen. Wegen der typischen Reaktionszeiten von Datendiensten und der Verzögerung der Luftschnittstelle umfaßt sein Anwendungsgebiet weiter bevorzugt Aufgaben, für die eine Reaktionszeit von 10¹ ms-10² ms ausreicht.
Während die lokalen Netzeigenschaftsserver (220, 230) alle Informationen bereitstellen, aktualisiert (synchronisiert) man netzübergreifend (z. B. 220 mit 230 oder 210) weiter bevorzugt jedoch nur Daten mit mittel- bis langfristigem Zeithorizont (z. B. die Tarifstruktur), um im verbindenden Internetzwerk unnötig umfangreichen Datenverkehr zu vermeiden.
Wenn man herausgefunden hat, welche anderen Netze mit "dem eigenen" (einem bestimmten) Netz bzgl. ihrer Funkbereiche überlappen ("benachbart sind"), so beschränkt man weiter bevorzugt den Datenaustausch auf die lokalen Netzeigenschaftsserver benachbarter Netze, um den Datenverkehr zu begrenzen. Solche Nachbarschaftsbeziehungen lassen sich z. B. mit Hilfe eines Ortsinformationsdienstes herausfinden.
Eine weitere Verringerung des Datenverkehrs ergibt sich bei großen Netzen, bei denen ein lokaler Netzeigenschaftsserver (von mehreren) weiter bevorzugt nur für eine Teilmenge aller dem Netz zugehörigen Basisstationen zuständig ist. In diesem Fall beschränkt man den Datenaustausch auf die lokalen Netzeigenschaftsserver, die für Basisstationen mit benachbartem Funkbereich zuständig sind.
Informationen kurzfristiger Gültigkeit, wie z. B. die Zellauslastung, muß das ME deshalb über das Internet abfragen, wenn zu diesem Netz noch kein Funkkontakt besteht. Wichtige quasistatische Informationen über ein Netz (z. B. den Vermittlungstyp) kann das ME (10) weiter bevorzugt in einem Cache speichern.
Vorzugsweise wird die Auswahl eines oder mehrerer Netze für die Kommunikation nach Methoden der Entscheidungstheorie durchgeführt. Dazu legt z. B. der Benutzer eines mobilen Knotens für jeden Fluß Nutzenfunktionen für die Netzeigenschaften fest. Sie sind normiert (z. B. auf Werte zwischen 0 und 1). Vorzugsweise sind die Nutzenfunktionen für alle Flüsse eines Typs (z. B. Daten, Sprache, Video, interaktive Sitzungen) gleich, um bei der unten erläuterten Berechnung Rechenzeit zu sparen. Ebenfalls legt z. B. der Benutzer eines mobilen Knotens eine Gewichtung der Nutzenfunktionen untereinander fest. Die Gewichtung ist ebenfalls normiert, z. B. so, daß die Summe der Gewichte 1 ist.
Zur Bestimmung des Nutzens einer Menge von Netzen und einer Flußverteilung wird für ein konkretes Netz der Nutzen der Ausprägung je einer Netzeigenschaft mit der zugehörigen Nutzenfunktion berechnet. Aus diesen Werten wird die gewichtete Summe bestimmt, der sogenannte Präferenzwert. Diesen Präferenzwert rechnet der Knoten für alle möglichen sinnvollen und unterscheidbaren Kombinationen der Zuordnung von Flüssen zu Netzen aus. Die Kombination mit dem höchsten Wert bringt dem Benutzer optimalen Nutzen.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß die Auswahl der am besten geeigneten Netze für die Anforderungen der Kommunikationsflüsse gesteuert durch die Benutzerpräferenzen rational abläuft. Die ausgewählte Menge der Netze und die Flußverteilung spiegeln somit optimal die Benutzerpräferenzen wider.
Bei einer anderen Weiterbildung beschränkt man bei der Auswahl die oben erwähnte Menge aller Kombinationen der Zuordnung von Flüssen zu Netzen auf diejenigen, die einem Kosten- Kriterium genüge tun (z. B. Obergrenze für Gesamtkosten für alle Flüsse, Obergrenze für Kosten pro Fluß, Untergrenze für Preis-Leistungs-Verhältnis pro Fluß oder für alle Flüsse). Dies hat wirtschaftliche Vorteile für den Benutzer des mobilen Knotens.
Bei einer anderen Weiterbildung wählt man rein nach einem Kosten-Kriterium die günstigste Kombination der Zuordnung von Flüssen zu Netzen aus (z. B. niedrigste Gesamtkosten für alle Flüsse, bestes Preis-Leistungs-Verhältnis pro Fluß oder für alle Flüsse). Dies hat wirtschaftliche Vorteile für den Benutzer des mobilen Knotens.
Bei einer anderen Weiterbildung kommen nur solche Netze für die Kommunikation in Frage, bei denen eine festgelegte minimale Kommunikationszeit zwischen dem Zeitpunkt für den Kommunikationsbeginn und dem Verlassen des Funkbereichs liegt. Dies erweist sich als vorteilhaft, wenn zu häufig Verbindungen zu Netzen aufgebaut werden, die dann nur zu kurz genutzt werden können, um den Aufwand für der Handover zu rechtfertigen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß das Verfahren fortwährend ausgeführt wird. Dadurch kann der sich bewegende mobile Knoten sofort auf bevorstehende Änderungen der Menge der Netze reagieren, in deren Funkbereich er sich aufhält.
Bei einer anderen Weiterbildung fragt der mobile Knoten Informationen über die geographische Ausdehnung und Lage von Funkfeldern von einem rechnerfernen Ortsinformationsdienst ab. Der Ortsinformationsdienst kann von einem einzelnen Server angeboten werden. Er kann an einem beliebigen Punkt im Verbund der Funknetze angeschlossen sein, typischerweise jedoch im verbindenden Inter-Netzwerk (z. B. Internet).
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, daß bei dem mobilen Knoten Speicherplatz und Rechenleistung eingespart werden, weil die Daten nicht lokal auf dem mobilen Knoten gespeichert und bearbeitet werden müssen. Ein Ortsinformationsdienst stellt solche Netzinformationen unabhängig von einer speziellen Netztechnologie oder einem konkreten Zugangsnetz zur Verfügung. Ferner ist es ein Vorteil, daß auch Informationen zu einem Netz abgefragt werden können, zu dem noch kein Funkkontakt besteht. Es besteht gewissermaßen ein Gesamtüberblick über die geographische Struktur der Funkbereiche. Die geographischen Funkfeldinformationen können sich z. B. mit der Sendeleistung oder durch das Abschalten von Basisstationen ändern. Die Informationen des Ortsinformationsdienstes können jederzeit aktuell gehalten werden, weil der zugehörige Server dauerhaft an den Netzverbund angeschlossen ist. Dies ist bei mobilen Knoten typischerweise nicht so. Die Pflege seiner Daten kann zentral erfolgen und ist damit einfacher, als wenn sie auf jedem mobilen Knoten eigens erfolgen muß.
Die Informationen des Ortsinformationsdienstes können mit den Resultaten von Funkfeldsimulationen aktualisiert werden. Sie können auch durch mobile Endsysteme aktualisiert werden, die gerade im Gebiet unterwegs sind und den aktuellen Signalpegel kennen. Dies erweist sich in unvermessenen Gebieten wegen des geringen Aufwands oder bei sich häufig ändernden Funkbereichen, in denen häufig mobile Knoten unterwegs sind, wegen der Aktualität der Daten als Vorteil.
Die genaue Position und Abmessungen des Funkbereichs einer Funkzelle speichert man zur Unterstützung einer schnellen Beantwortung von Suchanfragen vorzugsweise in der Datenstruktur des Zellfragmentbaums. Jedes Zellfragment wie auch jedes Funkloch (vgl. Fig. 2a) wird dazu durch ein einfaches Polygon (vgl. Fig. 2b) aproximiert und von einem Knoten im Zellfragmentbaum repräsentiert (vgl. Fig. 2c). Dabei spiegelt die Baumstruktur wieder, welches Zellfragment bzw. Funkloch in welchem Funkloch bzw. Zellfragment enthalten ist. Der Knoten, der der Wurzel des Baumes näher gelegen ist, enthält das umfassende Zellfragment bzw. Funkloch. Die Datenstruktur des Zellfragmentbaums hat den Vorteil, daß sich Anfragen auf Überlappung mit einem Abfragefenster effizienter beantworten lassen. Überprüft wird von der Wurzel zu den Blättern hin. Sobald ein Zellfragment nicht mit dem Abfragefenster überlappt, brauchen die weiter von der Wurzel entfernten Zellfragmente wegen der Ordnung bzgl. der Inklusion nicht mehr überprüft zu werden und die Anfrage kann negativ beantwortet werden. Die vollständige Überprüfung der kompletten Äste bis zu den Blättern erübrigt sich also.
Die Effizienz der Serverarchitektur läßt sich dadurch vorteilhaft steigern, daß statt einem Server vorzugsweise mehrere Server verwendet werden, die weiter bevorzugt hierarchisch zusammenarbeiten. Mehrere Server, die in einem der Funknetze angeschlossen sind, ermöglichen von den Clients auf den mobilen Knoten aus schellen Zugriff und unterstützen dadurch zeitkritische Handover-Vorgänge.
Mehrere Server in dem selben Funknetz teilen sich weiter bevorzugt zur Effizienzsteigerung und um Clients über alle Basisstationen des Funknetzes Zugriff mit gleichermaßen geringer Verzögerung zu ermöglichen, den Funkbereich aller Zellen des Netzes auf.
Bei einer Hierarchisierung der Server in einem Funknetz wird ein übergeordneter Server weiter bevorzugt, der z. B. für in der Netzstruktur benachbarte Server zuständig sein kann oder insbesondere bevorzugt für Server, deren geographische Zuständigkeitsbereiche benachbart sind.
Mehrere Server, die im Internet angeschlossen sind, verringern weiter bevorzugt durch ihre hierarchische Gliederung gemäß der Zuständigkeit für bestimmte Gruppen der untergeordneten Server in den einzelnen Funknetzen eine Reduktion des für den Informationsaustausch der Server notwendigen Datenvolumens. Die Gruppen lassen sich z. B. nach in der Netzstruktur benachbarten Servern bilden oder insbesondere bevorzugt nach geographischer Nachbarschaft der Bereiche, für die die Server zuständig sind.
Um Speicherplatz zu sparen, faßt ein übergeordneter Server insbesondere bevorzugt Zellen aus dem gleichen geographischen Bereich eines Funknetzes zu Regionen zusammen. Einer Region ist ein Verweis auf den untergeordneten Server des entsprechenden geographischen Bereichs zugewiesen. Dies hat den Vorteil, daß sich die Anzahl der vom übergeordneten Server zu speichernden Objekte verringert und sich Anfragen nach Überlappung mit einem Anfragefenster außerhalb der Region sofort negativ beantworten lassen, ohne jedes einzelne Objekt überprüfen zu müssen. Da nur nahe beieinander gelegene Zellen als eine Region gespeichert werden, bleibt die Fläche in der Region gering, in der kein Funkbereich ist. Dadurch werden weitergehende Überprüfungen des untergeordneten Server weitgehend vermieden, die dann doch negativ zu beantworten sind.
Ein Server aktualisiert weiter bevorzugt die Funkfeldinformation eines anderen Servers auf der selben Hierarchiestufe bei Änderungen des Funkbereichs einer Funkzelle, für die er verantwortlich ist. Dabei ist für jede Funkzelle genau ein Server verantwortlich. Bei dieser Variante registriert sich ein Server, in dessen geographischem Zuständigkeitsbereich der Funkbereich einer Funkzelle liegt, anfangs bei dem Server, der für sie verantwortlich ist. Dabei teilt er dem verantwortlichen Server insbesondere bevorzugt den Bereich mit, der für ihn von Interesse ist. Ändert sich nun der Funkbereich einer Funkzelle, so sendet der verantwortliche Server insbesondere bevorzugt den für jeden registrierten Server jeweils relevanten Ausschnitt des neuen Funkbereichs.
Die vorangehend genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung von erläuternden Ausführungsformen besser verständlich, welche auf die beiliegenden erläuternden Figuren Bezug nimmt. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur erfindungsgemäßen Durchführung des Handover in heterogenen drahtlosen Netzen,
Fig. 2a eine Skizze der Funkbereiche zweier Funkzellen,
Fig. 2b eine Approximation der Funkbereiche zweier Funkzellen durch einfache Polygone mit Löchern,
Fig. 2c die Datenstruktur des Zellfragmentbaums zum speichern des Funkbereiches einer Funkzelle,
Fig. 3 ein Szenario, anhand dessen sich zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung des Handover in heterogenen Funknetzen zeigen lassen,
Fig. 4 einen schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung des Handover in heterogenen Funknetzen,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer möglichen Realisierung der Protokollarchitektur des mobilen Knotens zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung des Handover in heterogenen Funknetzen hat in einer Ausführungsform die Teilaufgaben Zeitplanung, Netzauswahl, Verbindungssteuerung und Flußmigration (vgl. Fig. 4). Es erreicht das Ziel nahtloser, optimaler Kommunikation in heterogenen Funknetzen durch optimale Netzauswahl, antizipierten Verbindungsaufbau und verzögerten Verbindungsabbau.
Existierende Handover-Verfahren beschränken sich auf homogene Funknetze oder betrachten lediglich einzelne Aspekte des HO in heterogenen drahtlosen Netzen. Das neu entwickelte Handover-Verfahren ist unabhängig von der Unterstützung der Netzinfrastruktur kann das ME aber auch ergänzend Hilfsinformationen des Netzes beziehen.
Ein Vorteil des vorgestellten "intelligenten" Handover-Verfahrens besteht in der Möglichkeit, prospektiv zu entscheiden, welche Netze wann genutzt werden sollen und über welches Netz jeder einzelne Fluß dann fließen soll. Dazu können proaktiv Verbindungen zu Netzen aufgebaut oder aufrecht erhalten werden. Durch diese Maßnahmen kann auf der Basis verläßlicher Informationen auf effiziente Weise verhindert werden, daß Flüsse beim Wechsel zwischen Netzen verschiedenen Typs beeinträchtigt werden. Netzübergänge erfolgen sanfter und "just- in-time" bzw. überhaupt nur bei Notwendigkeit dazu.
Bei den bisher bekannten Handover-Verfahren besteht das Problem, daß das Ende des Funkbereichs erst dann bemerkt wird, wenn das Signal (zu) schlecht wird und keine alternative Zelle als Ziel für einen HO verfügbar ist. Denn ältere Forschungsansätze überwachen die Kanalqualität (OSI Schicht 1) oder "beacon frames" (OSI Schicht 2), um das Betreten oder Verlassen des Funkbereichs eines Netzes zu entdecken. Die Dauer eines Handover wird von der Zeit dominiert, solche Situationen zu entdecken und anschließend eine Netzverbindung über die neu ausgewählte Funkzelle herzustellen. Insbesondere, wenn man es mit Mobilfunknetzen (Weitbereichsfunknetzen, WANs) zu tun hat, stellt sich die große Entdeckungsverzögerung als Problem heraus: Bis die Verbindung zu einem anderen Netz aufgebaut ist, verstreicht so viel Zeit, daß i. d. R. die alte Verbindung abbricht und damit die Kommunikationsflüsse abreißen.
Im Beispiel von Fig. 3 kann wegen der für WANs typischen, relativ langen Zeitspanne zwischen dem Aktivieren der Funkschnittstelle und dem Erkennen des Funksignals die Verbindung über LAN₂ nicht in e), sondern erst in f) aktiviert werden.
Der Abriß des Kontakts zu LAN₁ wird in b) bemerkt. Die neue Verbindung zum WAN steht aber wegen der langen Verbindungsaufbauzeit erst in c). In f) ist die Verbindung zu LAN₂ aufgebaut. Wenn das ME sich aber so schnell bewegt, daß bis g) die WAN-Verbindung nicht wieder aufgebaut werden kann, erhält das erfindungsgemäße Handover-Verfahren sie trotzdem aufrecht ("verzögerter Verbindungsabbau").
In den geschilderten Situationen beginnt das erfindungsgemäße Handover-Verfahren vorausschauend schon in a) mit dem Verbindungsaufbau zum WAN und aktiviert bereits in d) die Funkschnittstelle für LAN₂. Man nennt dieses Vorgehen "antizipierter Verbindungsaufbau". Dadurch ermöglicht man einen nahtlosen Handover oder verhindert zumindest, daß Flüsse abreissen. Dies wird durch geographische Informationen zur Gestalt und Lage der Funkzellen und Angaben über Ort, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des mobilen Knotens möglich. Das vorgestellte Verfahren hilft auch, "unnötige" Handover, z. B. durch den Ping-Pong Effekt zu vermeiden und - in der Konsequenz - Jitter und Zusammenbruch von Kommunikationsflüssen.
Fig. 5 stellt eine mögliche Realisierung der Protokollarchitektur des mobilen Knotens zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen schematisch dar (HO-Steuerung ist die Handover-Steuerung). Eine Umsetzung des hierdurch spezifizierten Systems ist in der Praxis durch einen in der Programmierung von Kommunikationsprotokollen und Betriebssystemen geübten Fachmann möglich. Ein mobiler Knoten kann entweder ein mobiles Endgerät (z. B. Handy, mobiler Computer, Persönlicher Digitaler Assistent oder Handheld-Computer) oder auch ein mobiles Zwischensystem (z. B. Router) sein, der die Anbindung eines mobilen Netzes herstellt. Ein mobiler Knoten verfügt für die Kommunikation in heterogenen drahtlosen Netzen über vorzugsweise mindestens zwei (abstrakte) Netzwerkschnittstellen, die vorzugsweise der Kommunikation in Netzen unterschiedlicher Technologie dienen.

Claims

1. Verfahren zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend die Schritte:

- Bestimmen der aktuellen Position eines mobilen Knotens,

- Erstellen einer Bewegungsvorhersage für den Knoten,

- Berechnung der voraussichtlichen Position des Knotens zum Planungszeitpunkt,

- Bestimmen der in einer vorher festgelegten Umgebung der berechneten Position des Knotens erreichbaren Funkzellen,

- Auswerten von Informationen über die geographische Ausdehnung und Lage der Funkfelder dieser Funkzellen daraufhin, über welche der Funkzellen der Knoten an der berechneten Position kommunizieren können wird,

- Auswählen eines oder mehrerer Netze für die Kommunikation,

- Berechnung einer Flußverteilung über der ausgewählten Menge der Netze,

- Verbindungsaufbau bzw. -abbau zu den vorher berechneten Zeitpunkten.

2. System zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend einen mobilen Knoten, der
seine aktuelle Position bestimmt,
eine Vorhersage über seine weitere Bewegung erstellt,
seine voraussichtlichen Position zum Planungszeitpunkt berechnet,
die in einer vorher festgelegten Umgebung der berechneten Position erreichbaren Funkzellen bestimmt,
Informationen über die geographische Ausdehnung und Lage der Funkfelder dieser Funkzellen daraufhin auswertet, über welche der Funkzellen er an der berechneten Position kommunizieren können wird,
Informationen über die charakteristischen Übertragungseigenschaften und die Tarifstruktur dieser Funkzellen bzw. der Netze, zu denen sie gehören, auswertet und eines oder mehrere Netze für die Kommunikation auswählt,
eine Flußverteilung über der ausgewählten Menge der Netze berechnet,
Verbindungen zu den vorher berechneten Zeitpunkten auf- bzw. abbaut.

3. Verfahren zum Betrieb einer Serverplattform für den Ortsinformationsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen einer Datenspeichereinrichtung zum Speichern von geographischen Funkfeldinformationen,

- Empfangen einer Anfrage eines Client betreffend einen bestimmten geographischen Bereich,

- Versenden geographischer Funkfeldinformationen über einen ausgewählten geographischen Bereich.

4. Verfahren zum Betrieb einer Serverplattform für den Netzeigenschaftsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend die Schritte:

- Bereitstellen einer Datenspeichereinrichtung zum Speichern von Netzeigenschaften, Tarifinformationen oder Abrechnungsinformationen,

- Empfangen einer Anfrage eines Client betreffend mindestens ein bestimmtes Netz oder eine Funkzelle davon,

- Versenden von Netzeigenschaften, Tarifinformationen oder Abrechnungsinformationen mindestens eines ausgewählten Netzes oder einer Funkzelle davon.

5. Verfahren zum Betrieb eines Client für den Ortsinformationsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend die Schritte:

- Versenden einer Anfrage an einen Server für den Ortsinformationsdienst betreffend einen bestimmten geographischen Punkt oder Bereich,

- Empfangen einer Antwort von einem Server für den Ortsinformationsdienst.

6. Verfahren zum Betrieb eines Client für den Netzeigenschaftsdienst zur Durchführung des Handover in heterogenen Netzen, umfassend die Schritte:

- Versenden einer Anfrage an einen Server für den Netzeigenschaftsdienst betreffend mindestens ein bestimmtes Netz oder eine Funkzelle davon,

- Empfangen einer Antwort von einem Server für den Netzeigenschaftsdienst.