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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Übertragung
von Informationen in einem Funkkommunikationssystem umfassend zumindest
ein zellulares Funknetzteil mit mindestens einer Basisstation und ein
zumindest teilweise selbstorganisierendes Funknetzteil nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft ferner eine
Basisstation in einem Funkkommunikationssystem umfassend zumindest
einen zellularen Funknetzteil mit mindestens der Basisstation und
einen zumindest teilweise selbstorganisierenden Funknetzteil nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Funkkommunikationssystemen kommt
heute aufgrund der ermöglichten
Mobilität
der Teilnehmer eine große
Bedeutung zu. Außerdem
werden Geräte entwickelt,
die unterschiedliche Systeme nutzen können (Multi Homing) und somit
die Flexibilität
erhöhen.
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In Funkkommunikationssystemen werden
Informationen (beispielsweise Sprache, Bildinformation, Videoinformation,
SMS [Short Message Service] oder andere Daten) mit Hilfe von elektromagnetischen
Wellen über
eine Funkschnittstelle zwischen sendender und empfangender Station
(Basisstation bzw. Teilnehmerstation) übertragen. Das Abstrahlen der
elektromagnetischen Wellen erfolgt dabei mit Trägerfrequenzen, die in dem für das jeweilige
System vorgesehenen Frequenzband liegen.
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Für
das eingeführte
GSM-Mobilfunksystem (Global System for Mobile Communication) werden Frequenzen
bei 900, 1800 und 1900 MHz genutzt. Diese Systeme übermitteln
im wesentlichen Sprache, Telefax und Kurzmitteilungen SMS (Short
Message Service) als auch digitale Daten.
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Für
zukünftige
Mobilfunksysteme mit CDMA- oder TD/CDMA-Übertragungsverfahren, wie beispielsweise
UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) oder andere Systeme
der dritten Generation, sind Frequenzen im Frequenzband von ca. 2000
MHz vorgesehen. Diese Systeme der dritten Generation werden entwickelt
mit den Zielen weltweiter Funkabdeckung, einem großen Angebot
an Diensten zur Datenübertragung
und vor allem eine flexible Verwaltung der Kapazität der Funkschnittstelle,
die bei Funk-Kommunikationssystemen die Schnittstelle mit den geringsten
Ressourcen ist. Bei diesen Funk-Kommunikationssystemen soll es vor allem
durch die flexible Verwaltung der Funkschnittstelle möglich sein,
dass einer Teilnehmerstation bei Bedarf eine große Datenmenge mit hoher Datengeschwindigkeit
senden und/oder empfangen kann.
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Der Zugriff von Stationen auf die
gemeinsamen Funkressourcen des Übertragungsmedium,
wie zum Beispiel Zeit, Frequenz, Leistung oder Raum, wird bei diesen
Funk-Kommunikationssystemen durch Vielfachzugriffsverfahren (Multiple
Access, MA) geregelt.
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Bei Zeitbereichs-Vielfachzugriffsverfahren (TDMA)
wird jedes Sende- und Empfangsfrequenzband in Zeitschlitze unterteilt,
wobei ein oder mehrere zyklisch wiederholte Zeitschlitze den Stationen
zugeteilt werden. Durch TDMA wird die Funkressource Zeit stationsspezifisch
separiert.
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Bei Frequenzbereichs-Vielfachzugriffsverfahren
(FDMA) wird der gesamte Frequenzbereich in schmalbandige Bereiche
unterteilt, wobei ein oder mehrere schmalbandige Frequenzbänder den
Stationen zugeteilt werden. Durch FDMA wird die Funkressource Frequenz
stationsspezifisch separiert.
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Bei Codebereichs-Vielfachzugriffsverfahren (CDMA)
wird durch einen Spreizcode, der aus vielen einzelnen sogenannten
Chips besteht, die zu übertragende
Leistung/Information stationsspezifisch codiert, wodurch die zu übertragende
Leistung codebedingt zufällig über einen
großen
Frequenzbereich gespreizt wird. Die von unterschiedlichen Stationen
benutzen Spreizcodes innerhalb einer Zelle/Basisstation sind jeweils
gegenseitig orthogonal oder im wesentlichen orthogonal, wodurch
ein Empfänger
die ihm zugedachte Signalleistung erkennt und andere Signale unterdrückt. Durch
CDMA wird die Funkressource Leistung durch Spreizcodes stationsspezifisch
separiert.
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Bei orthogonalen Frequenz-Vielfachzugriffsverfahren
(OFDM) werden die Daten breitbandig übermittelt, wobei das Frequenzband
in äquidistante, orthogonale
Unterträger
eingeteilt wird, so dass die simultane Phasenverschiebung der Unterträger einen
zwei-dimensionalen Datenfluss im Zeit-Frequenz Bereich aufspannt.
Durch OFDM wird die Funkressource Frequenz mittels orthogonalen
Unterträgern
stationsspezifisch separiert. Die während einer Zeiteinheit auf
den orthogonalen Unterträgern übermittelten
zusammengefassten Datensymbole werden als OFDM Symbole bezeichnet.
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Die Vielfachzugriffsverfahren können kombiniert
werden. So benutzen viele Funkkommunikationssysteme eine Kombination
der TDMA und FDMA Verfahren, wobei jedes schmalbandige Frequenzband
in Zeitschlitze unterteilt ist.
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Für
das erwähnte
UMTS-Mobilfunksystem wird zwischen einem sogenannten FDD-Modus (Frequency
Division Duplex) und einem TDD-Modus (Time Division Duplex) unterschieden.
Der TDD-Modus zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein gemeinsames
Frequenzband sowohl für
die Signalübertragung
in Aufwärts richtung
(UL – Uplink)
als auch in Abwärtsrichtung
(DL – Downlink)
genutzt wird, während
der FDD-Modus für
die beiden Übertragungsrichtungen
jeweils ein unterschiedliches Frequenzband nutzt.
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In Funkkommunikationsverbindungen
der zweiten und/oder dritten Generation können Informationen kanalvermittelt
(CS Circuit Switched) oder paketvermittelt (PS Packet Switched) übertragen
werden.
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Die Verbindung zwischen den einzelnen
Stationen erfolgt über
eine Funkkommunikations-Schnittstelle. Basisstation und Funknetzwerkkontrolleinrichtung
sind üblicherweise
Bestandteile eines Basisstationssubsystems (RNS Radio Network Subsystem).
Ein zellulares Funkkommunikationssystem umfasst in der Regel mehrere
Basisstationssubsysteme, die an ein Kernnetz (CN Core Network) angeschlossen
sind. Dabei ist die Funknetzwerkkontrolleinrichtung des Basisstationssubsystems
in der Regel mit einer Zugangseinrichtung des Kernnetzes verbunden.
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Neben diesen hierarchisch organisierten
zellularen Funkkommunikationssystemen gewinnen selbstorganisierende
drahtlose Funkkommunikationssysteme – auch als Ad Hoc Systeme bezeichnet – zunehmend
an Bedeutung, auch in Verbindung mit zellularen Funkkommunikationssystemen.
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In selbstorganisierenden Funkkommunikationssystemen
findet im Gegensatz zu zellularen Funkkommunikationssystemen, wie
z.B. GSM oder UMTS, die Kommunikation zumindest teilweise direkt zwischen
den möglicherweise
mobilen Endgeräten statt.
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In selbstorganisierenden Funkkommunikationssystemen
sind Funkstationen in der Lage, ohne eine vermittelnde zentrale
Einrichtung eine Funkverbindung untereinander aufzubauen. Die Verbindung zwischen
zwei Funkstationen erfolgt dabei entweder direkt oder bei größeren Entfernungen über weitere Funkstationen,
die für
diese Verbindung Relaisstationen bilden. Nutzinformationen werden
somit von Funkstation zu Funkstation über Abstände gesendet, welche der Funkreichweite
der Funkstationen entsprechen. Die Funkstationen eines selbstorganisierenden
Netzes können
mobile Funkstationen (beispielsweise Mobilfunkgeräte von Personen
oder in Verkehrsfahrzeugen) und/oder vorwiegend stationäre Funkstationen
(beispielsweise Computer, Drucker, Haushaltsgeräte) sein. Um Bestandteil eines
Ad Hoc Netzes zu sein, muss sich eine Funkstation in dem Funkabdeckungsbereich
von zumindest einer benachbarten Funkstation befinden. Beispiele
für selbstorganisierende
Netze sind die Wireless Local Area Networks (WLANs) wie HiperLAN
oder IEEE 802.11.
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Ein besonderer Vorteil von selbstorganisierenden
Funkkommunikationssystemen liegt in ihrer großen Mobilität und Flexibilität. Diese
Faktoren stellen jedoch auch eine große Herausforderung für Routing
Verfahren dar. In einem aus mehreren Funkstationen bestehenden Funkkommunikationssystem muss
für ein
Datenpaket ein Pfad von dem Sender gegebenenfalls über mehrere
das Datenpaket weiterleitende Funkstationen zu dem Empfänger gefunden
werden. Die Auswahl des Weges bezeichnet man als Routing. Handelt
es sich bei den Funkstationen um mobile Funkstationen, so ändert sich
in der Regel die Topologie des Netzwerkes mit der Zeit. Ein geeignetes
Routing Verfahren muss diesen ständigen
Veränderungen
Rechnung tragen.
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Hybride Funkkommunikationssysteme
umfassen zumindest einen zellularen Funknetzteil mit mindestens
einer Basisstation und einen zumindest teilweise selbstorganisierenden
Funknetzteil, wobei Informationen von einer Teilnehmerstation des
selbstorganisierenden Funknetzteils an die Basisstation des zellularen
Funknetzteils unter Nutzung beider Teilnetze übertragen werden können.
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Die Anbindung von selbstorganisierenden Funkkommunikationssystemen
an zellulare Funkkommunikationssysteme wird aus verschiedenen Gründen angestrebt.
Dies soll anhand der nachfolgenden beispielhaften Betrachtungen
verdeutlicht werden. Dabei wird als Beispiel für ein zellulares Funkkommunikationssystem
ein UMTS Funknetz betrachtet. Grundsätzlich können, müssen aber einerseits für den zellularen
Funknetzteil mit mindestens einer Basisstation und andererseits
für den
zumindest teilweise selbstorganisierenden Funknetzteil keine unterschiedlichen Übertragungstechniken
zum Einsatz kommen.
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Ein grundlegendes Problem bei der Übertragung
von Informationen von einer nicht im zellularen Funkteilnetz eingebundenen
Teilnehmerstation des selbstorganisierenden Funknetzteils an die
Basisstation des zellularen Funknetzteils stellt die Pfadbestimmung
für den
zu verwendenden Übertragungspfad
dar.
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Bei dem Aufbau eines UMTS Netzwerkes werden
zu Beginn nur in den Innenstädten
von Ballungszentren UMTS Basisstationen existieren. Diese Basisstationen
haben nur eine begrenzte Reichweite und können nur die Teilnehmer in
der unmittelbaren Umgebung mit den neuen Diensten von UMTS versorgen.
Sobald der Teilnehmer die Reichweite des Senders verlässt, muss
er beispielsweise auf den GSM-Standard umgestellt werden. Nur Teilnehmer die
innerhalb der Reichweite des UMTS Senders sind, erhalten eine Verbindung
mit der Basisstation, Teilnehmer außerhalb dieses Bereichs bekommen keine
Verbindung über
UMTS. Um die Häufigkeit
einer Ablehnung einer Verbindung in der Nähe eines UMTS Senders zu verringern,
kann ein selbstkonfigurierendes ad hoc Netz genutzt werden. Dieses dient
als Relay Netz von einem mobilen Terminal zu einem Terminal innerhalb
der Reichweite des UMTS Senders. Über diese Relay-Terminals kann
nun eine indirekte Verbindung mit UMTS Diensten aufgebaut werden.
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Im Falle eines Komplettausbaus eines UMTS
Netzes kann eine Anbindung eines selbstorganisierenden Funknetzes
verwendet werden. Dann wird nicht mehr von dem Fall auszugehen sein,
dass keine direkte Verbindung zu einer UMTS Basisstation existiert,
sondern in diesem Szenario tritt beispielsweise eine Überlast
einer einzelnen UMTS Basisstation auf. Dies kann z.B. auf großen Messen
geschehen, wenn viele Nutzer gleichzeitig über die gleiche UMTS Basisstation
telefonieren wollen. Nun kann der Algorithmus genutzt werden, um
einige der geblockten Nutzer über
das Ad Hoc Netzwerk und eine Relaisstation mit einer anderen Basisstation
zu verbinden. Dadurch kann die Blockierungswahrscheinlichkeit von
Rufen reduziert werden, und infolgedessen hat der Netzbetreiber
beim Aufbau seines UMTS Netzes mehr Freiheiten bezüglich des
Abstandes zwischen zwei Basisstationen.
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Die maximale Entfernung zwischen
der UMTS Basisstation und einem mobilen Endgerät ist nicht konstant, sondern
variiert. Man spricht in diesem Zusammenhang von Zellatmung. Dies
wird verursacht durch einen erhöhten
Störpegel
von anderen Endgeräten
innerhalb der Reichweite der Basisstation. Je größer die Anzahl der Teilnehmer
ist, umso geringer wird die maximale Distanz. Diesem Effekt kann man
ebenfalls durch Anbindung eines selbstorganisierenden Funkkommunikationssystems
begegnen.
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Als ein Ad Hoc Multihop Protokoll
ist das ODMA (Opportunity Driven Multiple Acess) vorgeschlagen worden
und in einer veränderten
Form von einer Konzeptgruppe des 3rd Generation Partnership Project
(3GPP) aufgegriffen worden.
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Eine UMTS Zelle wird in einen Bereich
mit hoher möglicher
Bitrate (wenig Interferenz) um die Basisstation herum und in einem
Bereich mit niedriger Bitrate (hohe Interferenz) weiter entfernt
von der Basisstation unterteilt. UMTS kann nur eine gewisse Anzahl
von Teilnehmern gleichzeitig versorgen. Dabei ist die Größe der Interferenzen
ausschlaggebend, weil alle Teilnehmer das gleiche Frequenzband verwenden
und nur durch unterschiedliche Codesequenzen voneinander getrennt
werden können.
Weit von der Basisstation entfernte Teilnehmer müssen mit hoher Sendeleistung
senden, was zu einer hohen Interferenz führt. Falls die Interferenzen
zu groß werden,
kann keine Verbindung zur Basisstation aufgebaut werden. Dieses
Verhalten soll ODMA vermeiden, indem Verbindungen von entfernten
Teilnehmern nicht direkt zur Basisstation weitergeleitet werden,
sondern von einem dazwischenliegenden Wiederholstation (Relay) weitergeleitet
wird. Dies reduziert die gesamte im System vorhandene Menge an Interferenzen,
weil der Teilnehmer nicht mit voller Leistung senden muss. ODMA
benötigt
für den
Betrieb allerdings zumindest Layer 1 Synchronisierungsinformationen,
d.h. Teilnehmer außerhalb
der maximalen Sendereichweite der Basisstation können an ODMA nicht partizipieren.
Die 3GPP Spezifikation sieht sowohl den Einsatz von mobilen Relays
(Teilnehmer) als auch stationärer
Relays (Infrastruktur) vor.
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ODMA basiert auf dem Einsatz von
Erforschungs-Nachrichten (Probing), also einem in regelmäßigen Abständen Senden
von Nachrichten, um Teilnehmer in der Nachbarschaft zu finden. Anhand dieser
Informationen kann der Teilnehmer eine Routing-Tabelle aufbauen, die bei einem späteren Verbindungsaufbau
zur Basisstation genutzt werden kann. Jeder Teilnehmer entscheidet
selbstständig über sein
Probing-Verhalten.
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Durch das Probing erhält jeder
Teilnehmer Informationen seiner Nachbarn bezüglich möglicher Datenraten und benötigter Sendeleistung.
Die Datenrate kann durch den gewählten
Kontrollkanal (Control Channel CCH) festgelegt werden. Das Endgerät startet
die Suche mit einer minimalen Sendefeldstärke, und falls sich keine Empfangsgeräte bei ihm
melden, erhöht
die Sendestärke
sukzessiv, bis genügend
Antworten eintreffen. Dadurch wird ein Netz aus Teilnehmern mit
derselben Datenrate aufgebaut. Es wird ein proaktives Routing angestrebt.
Jeder Teilnehmer bekommt von seinen Nachbarn dessen Nachbarschaftsinformationen
mitgeteilt. Daraus lassen sich dann Pfade zurück zur Basisstation berechnen.
Allerdings wird auf die Problematik der hohen Dynamik (schnell bewegende
Teilnehmer) und der damit verbundenen schnellen Änderung der Netztopologie nicht
eingegangen. Diese führt
vor allem bei proaktiven Routing Algorithmen zu hohen Netzlasten
durch den Austausch von Topologieinformationen.
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Nachteilig ist, dass ODMA zwar im
TDD-Modus mit einem Software Update der Basisstation und der Teilnehmer
auskommen kann, dass aber für
den FDD-Modus eine Hardwaremodifikation der Basisstation und der
Teilnehmer notwendig ist, weil auch ein Empfangen auf dem eigentlich
zum Senden vorgesehen Band erforderlich ist (Empfang der Probing-Nachrichten
anderer Teilnehmer). Sowohl das Probing mit unterschiedlichen Sendestärken als
auch das Filtern der eintreffenden Nachrichten führt folglich gerade im FDD-Modus
zu einem höheren
apparativen Aufwand in den Endgeräten und damit auch zu einer
Verteuerung der Endgeräte.
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Es existieren außerdem verschiedene Ansätze zum
Routen von Datenpaketen in Ad Hoc Netzen. Die wichtigsten sind ein
als Dynamic Source Routing (DSR) bezeichnetes dynamisches Pfadbestimmungsverfahren
und AODV (Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing). Beide sind
reaktive Ansätze,
die eine Paketvermittlung in mobilen Ad Hoc Netzen erlauben. Sowohl
DSR als auch AODV benötigen
keinerlei zusätzliche
Infrastruktur für
das Routing, sondern es genügen
die teilnehmenden Terminals.
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Wie der Name schon impliziert, nutzt
DSR den Quellenpfad Ansatz (Source Routing). Dabei wird in allen
Paketen die genaue Route, die ein Paket nutzt, gespeichert. Dies
führt zu
geringerem Aufwand zur Weiterleitung der Pakete, allerdings vergrößern sich
die Pakete durch die gespeicherte Route.
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AODV nutzt einen anderen Mechanismus. Jeder
Knoten auf einer Route kennt nur seinen Vorgänger und seinen Nachfolger.
Diese Information reicht aus, ein Paket von der Quelle zum Ziel
zu leiten, ohne dass ein einziger Knoten die gesamte Route kennt.
Dabei ist ein erhöhter
Aufwand für
das Weiterleiten nötig,
weil Routentabellen in den einzelnen Knoten (Nodes) abgefragt werden
müssen.
Dafür ist kein
zusätzlicher
Routingoverhead nötig,
um Pakete zu verschicken.
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Das Versenden von Datenpaketen zwischen zufälligen Teilnehmern
können
beide Algorithmen gut erfüllen.
Allerdings liegt bei einer Erweiterung der Abdeckung (Coverage)
einer zellularen Basisstation keine Knoten zu Knoten (Node-to-Node)
Kommunikation vor, sondern es ist die Basisstation immer ein Endpunkt
der Kommunikation.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, ein Verfahren und eine Basisstation der eingangs genannten
Art aufzuzeigen, welche ein effizientes und den speziellen Bedingungen
angepasstes Bestimmen des Übertragungspfades
von einer Teilnehmerstation zu einer Basisstation zur Verfügung stellen.
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Die Aufgabe wird für das Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und für die Basisstation mit den
Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Erfindungsgemäß werden in der mindestens einen
Basisstation Verbindungsinformationen über den selbstorganisierenden
Funknetzteil zur Bestimmung mindestens eines Übertragungspfades zur Übertragung
von Informationen verwendet.
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Die Erfindung basiert auf der Idee,
die Bestimmung des Übertragungspfades
in der Basisstation zu bündeln.
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Mit Vorteil werden die Verbindungsinformationen über den
selbstorganisierenden Funknetzteil (ADHOC) in der mindestens einen
Basisstation (BS) zumindest zeitweise vorgehalten. In Abhängigkeit von
bestimmbaren Bedingungen können
Kriterien gewählt
werden, wann welche Verbindungsinformationen über den selbstorganisierenden
Funknetzteil nicht mehr gespeichert bleiben bzw. werden.
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Die Verbindungsinformationen können Informationen
zu der Assoziativität
und/oder der Lastverteilung bezüglich
der Verbindungen im selbstorganisierenden Funknetzteil umfassen.
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Bevorzugt werden sowohl Informationen
zu der Assoziativität
und/oder der Lastverteilung bezüglich
der Verbindungen im selbstorganisierenden Funknetzteil betrachtet.
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Durch die ungefähre Rotationssymmetrie der Lastverteilung
um die Basisstation herum (zur Basisstation hin steigt die Last
jedes einzelnen Links), entsteht ein erhöhter Verlust auf allen Links,
falls keine Lastverteilung vorgenommen wird. Keiner der bekannten
Ad Hoc Routing Algorithmen kann die angesprochene Lastverteilung
leisten, weil sie ohne zentrale Signalisierung auskommen müssen.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der
Erfindung gewinnt die mindestens eine Basisstation Verbindungsinformationen über den
selbstorganisierenden Funknetzteil aus Daten im Kopfteil (Header)
von Datenpaketen zur Anfrage eines Pfades zu der mindestens einen
Basisstation.
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Die Verbindungsinformationen können grundsätzlich Knoten
basiert (node based) vorliegen. Besondere Vorteile ergeben sich
trotz des vergleichsweise größeren Speicherbedarfs,
wenn die Verbindungsinformationen, insbesondere die Daten im Kopfteil
der Datenpakete zur Anfrage eines Pfades über den selbstorganisierenden
Funknetzteil, verbindungsbasiert flink based) vorliegen. In diesem Fall
können
nämlich
auch alternative Routen bestimmt werden, die nicht disjunkt sind.
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Es können die Verbindungsinformationen, insbesondere
die Daten im Kopfteil der Datenpakete zur Anfrage eines Pfades über den
selbstorganisierenden Funknetzteil, Verbindungsdaten zu alternativen
Pfaden umfassen.
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Grundsätzlich kann die Pfadbestimmung
und die Ausfallsicherheit der Übertragung
dadurch wesentlich verbessert werden, dass die mindestens eine Basisstation
mehrere Übertragungspfade
zur Übertragung
von Informationen bestimmt.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann
zur Übertragung
von Informationen von der Teilnehmerstation des selbstorganisierenden
Funknetzteils als Informationsquelle an die mindestens eine Basisstation
des zellularen Funknetzteils ein Routing Algorithmus mit folgenden
Schritten verwendet werden:
- a) die Teilnehmerstation
(N1) sendet eine Anfrage zur Bestimmung mindestens eines Übertragungspfades,
- b) jeder Knoten des selbstorganisierenden Funknetzteil, der
diese Anfrage empfängt,
trägt seine Adresse
im Kopfteil des Anfragepakets ein und sendet das Anfragepaket nach
einer Verweilzeit weiter,
- c) mindestens ein empfangender Knoten des selbstorganisierenden
Funknetzteils, welcher auch Teilnehmerstation des zellularen Funknetzteils
ist, überträgt das Anfragepaket über das
zellulare Funknetzteil an die mindestens eine Basisstation,
- d) in der mindestens einen Basisstation wird unter Verwendung
der Informationen zu der Assoziativität und/oder der Lastverteilung
zu Verbindungen im selbstorganisierenden Funknetzteil mindestens
ein Übertragungspfad
zur Informationenübertragung
an die mindestens eine Basisstation bestimmt,
- e) von der mindestens einen Basisstation wird über mindestens
einen der bestimmten Übertragungspfade
an die Teilnehmerstation ein Verbindungsanfrageantwortpaket mit
Angabe des mindestens einen Übertragungspfades übermittelt,
- f) von der Teilnehmerstation wird an die mindestens eine Basisstation
(BS) über
den mindestens einen Übertragungspfad
der bestimmten Übertragungspfade
an die mindestens eine Basisstation (BS) übertragen.
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Dieser Algorithmus bringt besondere
Vorteile. Denn ein auf den hier betrachteten Fall der Übertragung
von einer Teilnehmerstation im selbstorganisierenden Funknetz zu
der Basisstation des zellularen Funknetzes hin optimierter Algorithmus,
kann die Information besser nutzen als dies für die auch für allgemeine
Fälle nutzbaren
Protokolle der Ad Hoc Routing Algorithmen AODV oder DSR der Fall
wäre. Weiterhin
kann die Basisstation die Berechnungen von Pfaden sowie die Wartung
von Routing Tabellen effizienter durchführen als dies bei einer Verteilung
auf alle Teilnehmer möglich
wäre.
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Im Verbindungsanfrageantwortpaket
(Route Reply Packet) nach Schritt e) kann für den Fall, dass nur ein einziger Übertragungspfad
an die Quelle übertragen
wird, dieser Pfad im Kopfteil (Header) des Verbindungsanfrageantwortpakets
Knoten basiert angegeben sein. Eine eine größere Datenmenge umfassende
Angabe auf Basis der Verbindungen (Link basiert) ist hier nicht
erforderlich.
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Bevorzugt wird in der mindestens
einen Basisstation zur Bestimmung des mindestens einen Übertragungspfades
der Dijkstra Algorithmus eingesetzt. Der Dijkstra Algorithmus dient
allgemein zur Wegfindung zwischen einem Startknoten und einem Zielknoten
in einem gegebenen zusammenhängenden Graphen.
Kanten in diesem Graphen repräsentieren
mögliche
Verbindungen und sind nach der Weglänge gewichtet. Es wird vom
Startknoten ausgehend der gesamte Graph erforscht und der kürzeste Weg
zu dem Zielknoten in einer vollständigen Suche (Breitensuche)
ermittelt.
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Die Zahl der Flutungsübertragungen
kann dadurch reduziert werden, dass jeder empfangende Knoten des
selbstorganisierenden Funknetzteils, welcher auch Teilnehmerstation
des zellularen Funknetzteils ist, das Anfragepaket ausschließlich über das
zellulare Funknetzteil an die mindestens eine Basisstation überträgt.
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Die erfindungsgemäße Basisstation gehört einem
Funkkommunikationssystem an, welches zumindest einen zellulares
Funknetzteil mit mindestens der Basisstation und einen zumindest
teilweise selbstorganisierenden Funknetzteil umfasst, wobei die Informationen
von einer Teilnehmerstation des selbstorganisierenden Funknetzteils
an die Basisstation übertragen
werden.
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Erfindungsgemäß weist die Basisstation Mittel
zur Bestimmung mindestens eines Übertragungspfades
zur Übertragung
von Informationen aus Verbindungsinformationen über den selbstorganisierenden
Funknetzteil auf.
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Es können außerdem Mittel zum zumindest zeitweise
Vorhalten der Verbindungsinformationen über den selbstorganisierenden
Funknetzteil vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Funkkommunikationssystem
umfasst mindestens eine Basisstation der oben beschriebenen Art.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand
von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei zeigen:
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1:
einen Ausschnitt einer schematisch auf zwei Routen beschränkten Netzwerktopologie,
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2:
eine schematische Darstellung zu einer erfindungsgemäßen Übertragung
von Information über
einen selbstorganisierenden Teil eines Funkkommunikationsnetzes
und einen zellularen Teil eines Funkkommunikationsnetzes eines Funkkommunikationssystems.
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In 1 ist
ein Ausschnitt einer schematisch auf zwei Routen beschränkten Netzwerktopologie dargestellt.
Dabei ist nicht die Netzstruktur des zellularen Funknetzteils gezeigt,
sondern zwei nicht disjunkte Pfade für eine Übertragung von Information von
dem im Beispiel als Quelle fungierenden Knoten N1 zur Basisstation
BS. Im hier betrachteten Beispiel möchte ein Teilnehmer vom seiner
als Netzknoten N1 dargestellten Teilnehmerstation Informationen
an die Basisstationen BS eines in 1 nicht
dargestellten zellularen Funknetzes übermitteln. Dazu muss aber der
Knoten N1 entweder einen Pfad zur Basisstation bereits kennen oder
der Pfad muss ermittelt werden. Für den zweitgenannten Fall muss
ein Routing Algorithmus verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Routenberechnung unter Nutzung der Basisstation. Dazu können grundsätzlich verschiedene
geeignete Metriken zum Einsatz kommen. Es sind Methoden der Berechnung
des kürzesten
Pfades bekannt. Allerdings stellen die so ermittelten Pfade bei
Multihop Ad Hoc Netzen nicht immer die sinnvollsten Pfade dar.
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Der im Rahmen der Erfindung betrachtete Routing
Algorithmus, welcher als Ad Hoc Routing for Cellular Coverage Extension
(ARCE) Algorithmus bezeichnet werden kann, nutzt Zusatzinformationen, welche
die Basisstation aus den eingehenden den sogenannten Route Requests,
d.h. den Anfragen zur Bestimmung mindestens eines Übertragungspfades, generiert.
Anhand der häufigen
Route Requests von vielen Teilnehmern kann die Basisstation stabilere Routen
erkennen, weil diese häufig
im Source Routing Header des Request Paketes verzeichnet sind. Im
Header des Request Paketes sind wie oben beschrieben alle Knoten
(Nodes), über
die das Paket läuft,
verzeichnet. Hieraus lässt
sich ein Verzeichnis aller genutzten Links zwischen den Knoten des
selbstorganisierenden Funknetzteiles erstellen. Dieses Verzeichnis
kann fortlaufend oder von Zeit zu Zeit aktualisiert werden. Die
stabileren Links können
nun genutzt werden, um statistisch langlebigere Routen zu generieren.
Dies bedeutet eine wesentliche Erweiterung gegenüber einem Vorgehen, bei welchem
nur die kürzesten
Pfade verwendet werden. Deshalb kann das ARCE Protokoll mit Unterstützung der
Basisstation eine insgesamt deutlich verbesserte Performance bewerkstelligen,
als dies ein ad hoc Routing Protokoll vermag, welches ohne aktive
Unterstützung
der Basisstation auskommen muss.
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Um alle oder zumindest mehrere Pfade
bzw. Routen eines Route Requests in einem Paket abspeichern zu können, müssen einige
Felder eines solchen Paketes verändert
werden. Es genügt
nicht mehr, dass nur der bisherige Pfad des Paketes darin vermerkt
wird, sondern es müssen
Verbindungen (Links) zwischen den Knoten gespeichert werden.
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Eine Anfrage eines Pfades (Route
Request), durchgeführt
mit einem gewöhnlicher
Flutungs (Flooding) Algorithmus, könnte im Beispiel der 1 nur den Pfad N1 → N2 → N5 → N6 zur
Basisstation BS finden. Der in 1 ebenfalls
vorhandene Ausweichpfad (N1 → N2 → N4 → N5 → N6) – etwa bedeutsam für den Fall,
dass der Knoten N3 ausfällt, – über die Knoten
N4 und N5 (statt über
N3) würde
verworfen, weil der Request von Knoten N5 nach dem ersten Request
von Knoten N3 an Knoten N6 eintrifft.
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Um die Vorteile der Angabe mehrere
Pfade nutzen zu können,
kann ein veränderter
Request Header benutzt werden. Es findet dabei ein Wechsel von einer
Knoten (Node) basierten Angabe auf eine Verbindungs (Zink) basierte
Angabe der Verbindungsinformationen im Kopfteil der Datenpakete
zur Anfrage eines Pfades (Route Request) über einen selbstorganisierenden
Funknetzteil statt. Der Header enthält nicht mehr nur die Angabe
der Weiterleitungsknoten, über
die der Request versendet wurde (siehe dazu z.B. DSR-Header), sondern
die Links, über
die der Request gesendet wurde. Ein Link kann beschrieben werden
als Verbindung zwischen 2 Knoten, deshalb bilden immer 2 aufeinander
folgende Adressen im Request einen Link. Der Header muss deshalb
immer eine gerade Anzahl an Adressen enthalten. Bei einem Knoten
basierten Pfad werden nur die Knoten in den Header aufgenommen, über die
ein Paket weitergeleitet wird. Sowohl DSR als auch AODV basieren
auf diesem Prinzip. Bei DSR wird der Pfad im Datenpaket vermerkt,
bei AODV sind die jeweiligen weiterleitenden Knoten dafür verantwortlich, den
nächsten
Hop zu kennen. Im Gegensatz dazu wird ein Link basierter Pfad aus
einzelnen Links zusammengesetzt. Für die Berechnung des kürzesten Pfades
sind beide Ansätze äquivalent.
Wenn mehrere Routen berechnet werden sollen, und diese nicht immer
disjunkt sein müssen,
ist ein Link basierter Ansatz unumgänglich.
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Eine Knoten basierten Angabe der
Verbindungen aus 1 würde auf
den kürzesten
Pfad beschränkt
sein und lauten: N1 -N2 – N3 – N6. Eine
Verbindungs basierte Angabe umfasst mehrere Links und lautet: N1-N2,
N2-N3, N3-N6, N6-BS, N2-N4, N4-N5, N5-N6.
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Ein einfaches Beispiel eines erfindungsgemäßen Funkkommunikationssystems
ist in 2 gezeigt. Im
Bereich ADHOC befinden sich die Knoten N1, N2, N3, N4, N5, N6, N8,
N9, N10 und N11, welche als Knoten in dem selbstorganisierenden Funknetzteil
ADHOC wirken. Daneben ist in 2 auch ein
zellularer Funknetzteil CELL vorhanden. Dazu gehört eine Basisstation BS, deren
Funkabdeckungsbereich (Zelle) durch einen Kreis angedeutet ist.
In Bereich der Funkzelle der Basisstation BS befinden sich die Teilnehmerstationen
N6, N5 und N11. Diese Teilnehmerstationen N6, N5 und N11 gehören als
Knoten auch dem selbstorganisierenden Funknetzteil ADHOC des dargestellten
Funkkommunikationssystems an. Die Teilnehmerstationen N6 und N11 sind
im Funknetz – beispielsweise
in ein UMTS Funkzelle – des
zellularen Funknetzteils CELL angemeldet und befinden sich beispielsweise
im IDLE Mode. Die Teilnehmerstation N5 befindet sich zwar in der Funkzelle,
d.h. im Funkabdeckungsbereich der Basisstation BS, hat sich aber
beispielsweise derzeit aus dem UMTS Funknetz abgemeldet oder besitzt keine
entsprechenden Ausstattung, um über
die Luftschnittstelle mit der Basisstation BS kommunizieren zu können. Dem
zellularen Funknetzteil CELL könne im
Beispiel also lediglich die Teilnehmerstationen N6 und N11 zugerechnet
werden. Selbstverständlich können im
zellularen Funknetzteil CELL auch Teilnehmerstationen (nicht gezeigt)
vorhanden sein, die nicht als Knoten im selbstorganisierenden Funknetzteil
ADHOC wirken oder wirken können.
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In 2 sind
ausgehend von der Teilnehmerstation N1 als Knoten des selbstorganisierenden Funknetzteils
ADHOC mehrere mögliche
Pfade zur Basisstation gezeigt. Dies sind im einzelnen die Routen:
- i) mit den Hops: N1 → N2 → N3 → N6
- ii) mit den Hops: N1 → N2 → N4 → N5 → N6
- iii) mit den Hops: N1 → N8 → N9 → N10 → N11.
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Die Pfade i) und ii) entsprechen
der Darstellung in 1.
Die Pfade i) und ii) sind jeweils disjunkt zum Pfad iii).
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Im folgenden wird beispielhaft der
Einsatz eines Routing Algorithmus nach der Erfindung mit Einsatz
der Basisstation in Anlehnung an die Darstellung in 2 aufgezeigt: Eine Teilnehmerstation
versucht sich über
das UMTS Interface mit der Basisstation zu verbinden und wird geblockt
oder ist außerhalb
der Reichweite. Nach dem Erhalt einer entsprechenden Fehlermeldung
verwendet die Teilnehmerstation nun den ARCE Algorithmus für das ad
hoc Netz: Sie überprüft nun als
erstes, ob nicht von zuvor weitergeleiteten Paketen ein Pfad zur
Basisstation bekannt ist. Ist dies der Fall, nutzt die Quelle diesen
Pfad sofort als Datenpfad. Ansonsten muss die Source vor einem Verbindungsaufbau
einen Request auf der Suche nach dem Ziel durch das Netz fluten.
Dieser enthält zunächst in
der Regel nur die allgemeinen Daten, also beispielsweise ein TTL
(time to life) Feld, die Quellenadresse und die Zieladresse und
eine Anfrageindentifikationsinformation (Request ID). Außerdem wird
noch die Source Adresse als erste Adresse des ersten Links eingetragen.
Danach wird der Request an alle direkten Nachbar mit Hilfe eins
Broadcasts (Rundsenderufs) verschickt.
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Jeder Knoten, der diesen Request
empfängt, trägt seine
eigene Adresse als zweite Adresse des Links ein. Danach wartet der
weiterleitende Knoten eine Zeit Tw auf mögliche weiter
eintreffende Requests mit der selben Request ID und Source Adresse.
Im Falle, dass während
der Wartezeit Tw mehr als N Requests mit
gleicher Request ID eintreffen, wird der Request schon vor dem Ablauf
des Timers Tw weitergeleitet, ansonsten
wird auf den Ablauf des Timers gewartet. Die maximale Anzahl an
Requests N sollte so eingestellt werden, dass nur sinnvolle Pfade weitergeleitet
werden, dies wird ebenfalls durch das TTL Feld begrenzt. Offensichtlich
zu lange Pfade sollten nicht weitergeleitet werden, um keine Bandbreite
zu verschwenden, weil jeder Link im Source Routing Header Bandbreite
benötigt.
Außerdem
sollte die Wartezeit klein genug gewählt werden, um den Request
nicht zu stark zu verzögern,
und groß genug sein,
um einige zusätzliche
Pfade weiterleiten zu können.
Noch vor Ablauf des Timers wird damit begonnen, ein neues Paket
zu erstellen. Für
das TTL Feld wird die größte empfange
TTL-Zahl aus allen empfangenen Request-Paketen ausgesucht, um eins erniedrigt,
und in das TTL-Feld des weiterzuleitenden Paketes geschrieben. Sollte
das TTL Feld gleich Null oder kleiner sein, wird das gesamte Paket
verworfen. Ansonsten wird das vollständige Paket erstellt, indem die
Links des ersten Request Paketes in das neue Paket übertragen
werden. Mehrfach erwähnte
Links werden ausgefiltert und nur einmal in die neue Linkliste eingetragen.
Danach werden bei jedem neu ankommenden Paket die darin enthaltenen
Links mit den bereits in das neue Paket kopierten Links verglichen,
und falls sie übereinstimmen,
verworfen. Alle anderen Links müssen
an das Ende des Paketes angehängt
werden. Dabei spielt die Reihenfolge der Speicherung keine Rolle.
Der in der Basisstation bevorzugt genutzte Dijkstra-Algorithmus
wertet beispielsweise die Links unabhängig von ihrer Reihenfolge
aus.
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Teilnehmerstationen mit einer Verbindung
zu einer Basisstation stoppen in der Regel das Fluten des Netzes,
senden also das Paket über
das ad hoc Interface nicht mehr weiter. Stattdessen wird der Request über das
UMTS Interface an die Basisstation gesendet.
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Innerhalb der Basisstation werden
bevorzugt zwei Matrizen unabhängig
verwaltet, nämlich
eine Assoziativitätsmatrix
und eine Lastverteilungsmatrix.
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In der Assoziativitätsmatrix
sind alle bekannten Links enthalten. Bei jedem in der Basisstation
neu eintreffenden Paket werden für
alle Links, über
die das Paket weitergeleitet wurde, die dazugehörende Assoziativität in der
Matrix der Basisstation erhöht. Dies
ist unabhängig
von der Art des Paketes, es werden sowohl Routing Pakete als auch
Datenpakete berücksichtigt.
Im Falle, dass innerhalb des aktuellen Prüfzeitraums schon eine Verbesserung
der Linkmetrik stattgefunden hat, wird keine weitere Verbesserung
vorgenommen, um die Assoziativität
nicht durch die Anzahl an ankommenden Paketen zu verfälschen.
Falls keine Pakete über
einen Link eintreffen, wird dessen Assoziativität langsam erniedrigt, bis schließlich der
gesamte Link aus der Tabelle gelöscht wird.
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Der Maximalwert in der Metrik der
Assoziativitätsmatrix
ist beispielsweise auf drei festgelegt, der Minimalwert ist null.
Dabei bedeutet drei, eine hohe Orts-Stabilität, wohingegen Null eine sehr
schlechte Assoziativität
widerspiegelt. Wenn ein Link während eines
Zeitabschnitts nicht genutzt wird, und die Metrik schon Null enthält, wird
der gesamte Link aus der Matrix herausgenommen. Für einen
bisher nicht bekannten Link wird eine Assoziativitätsmatrix
von eins angenommen. Im Falle dass die Basisstation ein Route Error
Paket erhält,
wird der darin als fehlerhaft bezeichnete Link sofort aus der Assoziativitätsmatrix herausgenommen.
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Die zweite Metrik ist die der Lastverteilung (Load).
Die Last eines Links wird in Pakete pro Zeiteinheit gemessen. Falls
ein Link viele Pakete weiterleitet, erhält dieser Link in der Lastverteilungsmatrix einen
Wert von 3 (full load), ohne Last ist der Wert null (no load).
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Die Lastmetrik ist nicht unabhängig von
der Assoziativität.
Je konstanter ein Link für
Datenverkehr genutzt wird, umso höher ist natürlich auch dessen Assoziativität, weil
diese anhand der eintreffenden Pakete gemessen wird. Weiterhin gilt,
dass die Anzahl der Einträge
der Assoziativitätsmatrix
immer größer sein
muss als die Anzahl der Einträge
in der Lastverteilungsmatrix, die Lastverteilungsmatrix also eine
Untermenge der Assoziativitätsmatrix
sein muss. Nach dem ersten Empfang eines Route Requests durch die
Basisstation, wird noch einmal eine Zeit TW–B gewartet,
um noch weitere, über
andere Routen gesendete, Requests auswerten zu können. Nach Ablauf des Timers
werden alle bis dahin empfangenen Requests ausgewertet und neue
Links in die Assoziativitätsmatrix
eingetragen. Anhand der Lasten und der Assoziativi täten werden
nun Routen von der Basisstation zur Source berechnet. Aus den Einzelwerten
eines Links wird mit Hilfe einer Funktion – abhängig von der Assoziativität und Lastverteilung – eine Kantengewichtung
berechnet. Mit Hilfe des Dijkstra Algorithmus kann nun der Shortest
Path zurück zur
Source berechnet werden. Um nun allerdings nicht optimale, längere Pfade
als Ausweichsrouten berechnen zu können, genügt es nicht die beim kürzesten
Pfad (Shortest Path) genutzten Pfade zu löschen. Dies führt unter
Umständen
zu dem Ergebnis, dass keine weitere Route erkannt wird, weil z.B.
der letzte Link zurück
zur Source nicht redundant vorhanden ist (siehe 1: Link N5 ⇔ N6).
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Um den Ausweichpfad über die
Knoten N4 und N5 berechnen zu können,
werden beispielsweise die Kantengewichtungen des kürzesten
Pfades jeweils um eins erhöht.
Dadurch ergibt sich eine neue Netzwerktopologie, ohne jedoch Links
völlig
auszuschließen.
Wenn ein zweiter Pfad gefunden wird, wird auch dieser gespeichert,
und dessen Kantengewichte erhöht.
Danach wird wieder der Dijkstra Algorithmus angewandt. Ferner wird
ein Abbruchkriterium vorgegeben. Die ganze Prozedur wird beispielsweise so
lange wiederholt, bis die Basisstation Rmax Routen zur
Source berechnet hat oder eine der bisher berechneten Routen zum
dritten Mal neu berechnet worden ist. Die veränderten Kantengewichte werden danach
wieder auf ihren ursprünglichen
Wert zurückgesetzt.
Durch diese Berechnungsmethode werden die Routen nicht in ihrer
optimalen Reihenfolge berechnet, sondern eher zufällig. Um
der Source die Routen in einer sinnvollen Reihenfolge zu übermitteln,
werden diese noch einmal anhand der beiden Metriken sortiert.
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Das Route Reply Paket wird nun über die
primäre
Route zurück
zur Source gesendet. Nach Erhalt des Reply Paketes kann die Source
sofort mit der Datenübertragung
beginnen, für
den Fall, dass nur eine Basisstation erreicht wurde. Im Falle, dass
mehrere Basisstationen den Route Request erhalten haben, ist ein
Erhalt mehrerer Route Reply Pakete von unterschiedlichen Basisstationen
möglich,
und die Source muss noch einmal die für sie günstigste Route berechnen. Allerdings
erhält
sie weitere Pfade zu einer Basisstation, die mit hoher Wahrscheinlichkeit
auch völlig
disjunkt sind.
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Mit der Erfindung sind auch neben
den bereits erwähnten
folgende Vorteile verbunden:
- – die Basisstation
steuert die Source Node; immer wenn neuere Informationen über Routen
vorhanden sind, werden diese der Source mitgeteilt,
- – der
Cache innerhalb der Source Node kann ausgeschaltet werden, wenn
die Basisstation die volle Kontrolle für die Routenbestimmung übernimmt (Kontrolle,
ob Pfade noch vorhanden),
- – die
Anzahl der in der Source gespeicherten Routen wird von der Basisstation
gesteuert, z.B. werden bei schneller Topologie-Änderung wenige Alternativrouten
generiert (schnelles Brechen der Links), während bei wenigen Veränderungen
viele Routen generiert werden können,
weil diese im Schnitt länger
halten.