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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein drahtloses Maschennetz, das mehrere
batteriebetriebene Maschenpunkte (MPs) umfaßt. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Sparen der Batterieleistung
der MPs durch Implementieren einer Energiesparfunktion.
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Es
wurden viele Modelle zum Sparen von Batterieleistung in zellularen
drahtlosen Kommunikationssystembestandteilen entwickelt. Zum Beispiel verwendet
ein typisches Modell zum Sparen von Batterieleistung einen Leerlaufmodus,
um eine Hintergrundüberwachung
mit niedrigem Tastgrad für
Funkrufkanäle
bereitzustellen. Dennoch sparen IEEE 802.11-basierte drahtlose lokale
Netzwerkvorrichtungen (WLAN-Vorrichtungen) nicht wirksam Batterieleistung.
Dies liegt an den grundlegenden Konstruktionsprinzipien des für WLANs
gewählten
Mehrfachfunkzugriffsmodells, insbesondere auf die Empfangsbetriebsart
bezogen.
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Der
momentane Energieverbrauch ist in einer Sendebetriebsart typischerweise
höher als
in einer Empfangsbetriebsart. Dennoch ist in WLAN-Vorrichtungen
die Empfangsbetriebsart der insgesamt bestimmende Faktor für den langfristigen
Energieverbrauch, weil WLAN-Vorrichtungen, die auf einer verteilten
Koordinierungsfunktion (DCF) oder einem verbesserten verteilten
Kanalzugriff (EDCA) basieren, ungeachtet des Ziels der ankommenden
Pakete auf alle ankommenden Pakete horchen müssen. Während des Empfangsbetriebs überwachen WLAN-Vorrichtungen
das Vorhandensein von Signalen auf einem Kanal. Wenn ein Signal
erkannt wird, versuchen die WLAN-Vorrichtungen, eine Präambel und
einen Anfangsblock eines empfangenen Datenpakets zu decodieren.
Wenn die Zieladresse des Pakets mit der Adresse der Vorrichtung überein stimmt, decodieren
die Vorrichtungen das Paket. Andernfalls wird das Paket verworfen.
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In
manchen Situationen, wie etwa in militärischen und/oder Notfallsituationen,
muß das
WLAN batteriebetriebene MPs und Maschenzugangspunkte (MAPs) einsetzen.
In derartigen Situationen ist es wünschenswert, ein Verfahren
und ein System zur Verfügung
zu stellen, um eine lange Batterielebensdauer und energiegünstige Arbeitsgänge für die batteriebetriebenen
Vorrichtungen sicherzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sparen von Energie
von batteriebetriebenen MPs in einem Maschennetz. In einer Ausführungsform
ist in dem Maschennetz eine zentralisierte Steuerung vorgesehen.
Jeder der MPs signalisiert mit dem Sparen von MP-Batterieleistung
verbundene Informationen und stellt Anzeigen für die zu den jeweiligen MPs
gehörigen
Batterieenergiepegel an die zentralisierte Steuerung bereit. Die
zentralisierte Steuerung optimiert die Konfiguration des Maschennetzes
basierend auf der Signalisierungsinformation zum Sparen von MP-Batterieleistung
und den Batterieenergiepegelanzeigen. In einer alternativen Ausführungsform überwacht
jeder der MPs einzeln durch den jeweiligen MP fließenden Verkehr
und einen zu dem jeweiligen MP gehörigen Batterieenergiepegel. Jeder
der MPs bestimmt, ob eine zu dem jeweiligen MP gehörige Energiesparfunktion
aktiviert werden soll, und signalisiert mit dem Sparen von MP-Batterieleistung
verbundene Informationen an benachbarte MPs in dem Maschennetz.
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Ein
detaillierteres Verständnis
der Erfindung kann durch die folgende Beschreibung bereitgestellt werden,
die beispielhaft gegeben wird und die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
zu verstehen ist, wobei:
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1 ein
drahtloses Maschennetz gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ein
Flußdiagramm
eines Verfahrens zum Sparen von Batterieleistung von MPs unter Verwendung
einer zentralisierten Steuerung in einem Maschennetz von 1 ist;
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3 ein
Flußdiagramm
eines alternativen Verfahrens zum Sparen von Batterieleistung von MPs
in dem Maschennetz von 1 ohne die Verwendung einer
zentralisierten Steuerung ist;
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4 ein
Blockschaltbild einer beispielhaften zentralisierten Steuerung ist,
die in dem drahtlosen Maschennetz von 1 verwendet
wird; und
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5 ein
Blockschaltbild eines beispielhaften MP ist, der in dem drahtlosen
Maschennetz von 1 verwendet wird.
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Der
Begriff „drahtlose
Sende/Empfangseinheit" (WTRU)
umfaßt
hier im weiteren ein Benutzergerät
(UE), eine Mobilstation, eine feste oder mobile Teilnehmereinheit,
einen Funkrufempfänger
oder jede andere Art von Vorrichtung, die fähig ist, in einer drahtlosen
Umgebung zu arbeiten, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf jede Art von drahtlosem Maschennetz,
einschließlich
IEEE 802.11x, IEEE 802.15, BluetoothTM,
HIPERLAN/2 oder ähnliche,
anwendbar, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung können in eine integrierte Schaltung
(IC) eingebaut werden oder in einer Schaltung aufgebaut werden, die
eine Vielzahl von miteinander verbundenen Bestandteilen aufweist.
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1 zeigt
ein drahtloses Maschennetz 100 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Maschennetz 100 umfaßt mehrere MPs 102,
mehrere Maschenzugangspunkte (APs) 104, ein Maschenportal 106 und
mehrere WTRUs 108. Die MPs 102 verhalten sich
in dem Maschennetz 100 wie grundlegende Weiterleitungs-
und Weitergabeknoten. Die MPs 102 empfangen Verkehr auf
ankommenden Verbindungen und leiten ihn an abgehende Verbindungen
weiter. Die Maschen-APs 104 sind auch MPs mit einer Schnittstelle
zum Bereitstellen eines Funkzugangs für die WTRUs 108, um
WLAN-Dienste in einem gewissen geographischen Bereich bereitzustellen.
Die WTRUs 108 kommunizieren mit einer anderen WTRU in dem
Maschennetz oder einem Weitverkehrsnetz 110 (wie etwa dem
Internet) über
die Maschen-APs 104 und das Maschenportal 106.
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Die
WTRUs 108 sind sich typischerweise nicht über das
Vorhandensein des Maschennetzes 100 bewußt. Die
Maschen-APs 104 leiten
den von den WTRUs 108 erzeugten Verkehr an einen anderen
Maschen-AP 104 oder das Maschenportal 106 weiter,
indem sie den Verkehr über
dazwischenliegende MPs 102 weitergeben. Das Maschenportal 106 stellt
für das
Maschennetz 100 die Anschlußmöglichkeit an das Weitverkehrsnetz 110 bereit.
Auf diese Weise arbeitet das Maschenportal 106 als ein MP
mit einer speziellen Schnittstelle zu dem Weitverkehrsnetz 110.
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Die
MPs 102, die Maschen-APs 104 und das Maschenportal 106 sind
batteriebetriebene Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren und ein System zum Sparen der Batterieleistung dieser
batteriebetriebenen Vorrichtungen zur Verfügung. Der Begriff „Maschenpunkt" (MP) und ein Bezugszeichen 102 werden
hier im weiteren verwendet, um auf die MPs 102, die MAPs 104 und
das Maschenportal 106 insgesamt Bezug zu nehmen.
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2 ist
ein Flußdiagramm
eines Verfahrens 200 zum Sparen von Batterieleistung von
MPs in einem Maschennetz. Gemäß dieser
Ausführungsform
ist in dem Maschennetz 100 eine zentralisierte Steuerung 120 vorgesehen.
Die zentralisierte Steuerung 120 kann sich irgendwo in
dem Maschennetz befinden. Zum Beispiel kann sich die zentralisierte Steuerung 120,
wie in 1 gezeigt, in dem Maschenportal 106 befinden.
Die zentralisierte Steuerung 120 steuert alle das Energiesparen
betreffenden Einstellungen (z.B. Leitweglenkungswege, Frequenzen
oder ähnliches)
für alle
MPs 102 und weist diese zu. Die MPs 102 sind unter
der vollständigen
und ausschließlichen
Steuerung der zentralisierten Steuerung 120.
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In
Schritt 202 signalisiert mindestens einer der mehreren
MPs 102 des Maschennetzes 100 eine Energiesparfunktion
betreffende Informationen an die zentralisierte Steuerung 120.
Die die Energiesparfunktion betreffenden Informa tionen umfassen eine
Energiequelle und/oder eine Energiesparfähigkeit und/oder eine Energiesparanforderung
und/oder durch den MP 102 implementierte Energiesparmerkmale
und/oder geplante Energiesparaktionen. In Schritt 204 liefern
die MPs 102 regelmäßig oder, wenn
sie von der zentralisierten Steuerung 120 abgefragt werden,
Batterieenergiepegelanzeigen an die zentralisierte Steuerung 120.
Die Informationen, welche die Energiesparfunktion und die Batterieenergiepegelanzeigen
betreffen, werden bevorzugt mittels Signalisierungsnachrichten auf
Schicht 2 (L2) oder Schicht 3 (L3) gesendet, so daß die zentralisierte
Steuerung 120 die Anforderungen der MPs 102 bezüglich Sparen
von Batterieleistung erkennt.
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Die
Informationen sind bevorzugt in einem Fähigkeitenfeld in den Nachrichten
der Medienzugriffssteuerungsschicht (MAC-Schicht), wie etwa Verbindungs-,
Authentifizierungs- oder Probeanforderungsnachrichten, enthalten.
Alternativ können
die Informationen in einem Informationselement (IE) der L2- oder
L3-Signalisierungsnachrichten enthalten sein, das in allen Daten-,
Steuer- oder Verwaltungsnachrichten enthalten sein kann, die auf
Anforderung oder regelmäßig ausgetauscht
werden.
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Bezug
nehmend auf 2 und 4 umfaßt die zentralisierte
Steuerung 120 eine Überwachungseinheit 122 und
eine Energiesparsteuerung 124. Die Überwachungseinheit 122 der
zentralisierten Steuerung 120 überwacht die Funkumgebung und/oder den
Verkehrsfluß in
dem Maschennetz 100 und/oder einen restlichen Batterieenergiepegel
der MPs 102 (Schritt 206). Die Energiesparsteuerung 124 der
zentralisierten Steuerung bestimmt, ob ein zu einem bestimmten MP 102 gehöriger Schwellwert
bezüglich der
Funkumgebung und/oder des Verkehrsflusses und/oder des restlichen
Batterieenergiepegels der MPs 102 erreicht wird (Schritt 208).
Wenn der vorbestimmte Schwellwert erreicht wird, befiehlt die Energiesparsteuerung 124 der
zentralisierten Steuerung 120 dem bestimmten MP 102,
in einen Energiesparbetrieb zu gehen, während sie Energiesparparameter
für die
restlichen MPs 102 konfiguriert (Schritt 210).
Die MPs 102 in dem Energiespar betrieb treten in einen Schlummerzustand
ein und wachen regelmäßig zu bestimmten
konfigurierten Aufweckzeiten auf, um auf Beacons zu horchen, um
zu prüfen,
ob die zentralisierte Steuerung 120 einen Funkruf ausgegeben
hat, um den Energiesparbetrieb der MPs 102 zu deaktivieren.
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Die
Energiesparsteuerung 124 der zentralisierten Steuerung 120 weist
Parameter zu, die den Energiesparzustand der MPs 102 betreffen,
und die Arbeitsschritte der MPs 102 werden während des
Energiesparbetriebs durch die Parameter gesteuert.
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Die
Energiesparparameter können
derart konfiguriert werden, daß sie
die Frequenzkanäle steuern,
auf denen die MPs arbeiten. Die MPs 102 können fähig sein,
mit mehreren Funkgeräten
zu arbeiten. In einem derartigen Fall sind die MPs 102 fähig, gleichzeitig
auf mehr als einem Frequenzkanal zu senden und zu empfangen. Zum
Beispiel kann der MP 102 einen Doppelfunk mit IEEE 802.11g-Funk und
zusätzlich
IEEE 802.11a-Funk für
das Backhaul verwenden, oder der MP 102 kann einen IEEE 802.11g-Funk
für einen
Grunddienstesatz (BSS) und zwei weitere IEEE 802.11a-Funks für das Backhaul verwenden.
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Die
Energiesparfunktion wird implementiert, indem während des Energiesparbetriebs
mindestens ein Frequenzkanal ein- und ausgeschaltet wird. Die MPs 102 können für jeden
Frequenzkanal getrennte Modems haben, oder einige Teile der Modems
können
für mehrere
Frequenzkanäle
gemeinsam genutzt werden. In beiden Fällen kann durch Ausschalten des
ganzen oder eines Teils des Modems die Batterieleistung gespart
werden. In einem Nicht-Energiesparbetrieb kann ein MP 102 auf
allen Kanälen
senden und empfangen, während
der MP 102 in einem Energiesparbetrieb nur auf einer Teilmenge
der Frequenzkanäle
(d.h. auf weniger als seine Funkfrequenz-Hardware (HF-Hardware)
tatsächlich
erlaubt) sendet und empfängt.
Die zentralisierte Steuerung 120 kann einen spezifischen
Frequenzkanal bestimmen, der ausgeschaltet werden soll.
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Alternativ
kann die Energiesparfunktion durch eine Zeitkombination zwischen
den MPs 102 implementiert werden.
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Die
Energiesparsteuerung 124 der zentralisierten Steuerung 120 richtet
geplante Dienstzeitintervalle ein, wann Daten auf bestimmten Verbindungen
durch das Maschennetz empfangen werden sollen und wann sie gesendet
werden sollen (die zentralisierte Steuerung 120 richtet
eine aktive Zeitspanne und die Schlummerzeitspanne für die MPs 102 ein). Während der
geplanten Schlummerzeitspanne schalten alle MPs 102 ab,
und es wird kein Datenverkehr gesendet. Die zentralisierte Steuerung 120 kann das
Verhältnis
der Schlummerzeitspanne zu einer aktiven Zeitspanne in flexibler
Weise anpassen, indem sie einen Kompromiß zwischen der Kapazität des Maschennetzes 100 und
der Verzögerung
für den
Verkehr berücksichtigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird jedem der MPs 102 eine einzelne Dienstzeitspanne zugewiesen.
Auf diese Weise weist die zentralisierte Steuerung 120 Dienstzeitspannen
an einzelne MPs 102 zu, während sie die Dienstzeitspannen
zwischen allen energiesparenden MPs 102 in dem Maschennetz 100 koordiniert.
Zum Beispiel kann die „Koordination" dieser einzelnen
Dienstzeitspannen durch drei (3) MPs 102 in einer Verkettung
implementiert werden, wobei ein erster der MPs 102 nur
während 0–100 ms
senden kann und von 100–1000
ms schlummert, ein zweiter der MPs 102 nur von 0–100 ms
empfangen, von 100 ms–200
ms senden und von 200–1000
ms schlummern kann, und ein dritter der MPs 102 schließlich von
100 ms–200
ms empfängt und
von 0–100
ms und 200 ms–1000
ms schlummert. Dieses Verfahren wird jede Sekunde (d.h. 1000 ms) wiederholt.
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Die
zentralisierte Steuerung 120 kann die Algorithmen für die Entscheidung über Leitwege
und Anschlußmöglichkeiten
durch das Maschennetz entsprechend den Energiesparerfordernissen
der MPs festlegen. Die zentralisierte Steuerung 120 weist
einen Leitweg und Datenweiterleitungsmuster durch das Maschennetz 100 in
einer Weise zu, daß die
Anzahl von an dem Leitweg beteiligten MPs in einem Energiesparbetrieb
minimiert wird. Die nicht in dem Leitweg enthaltenen MPs können in
einen Schlummerzustand gehen, während
dem die MPs nur aufwachen, um Änderungen
in dem konfigurierten Leitweg zu prüfen. Die zentralisierte Steuerung 120 kann den
Leitweg unter Berücksichtigung
der Batterieenergiepegelanzeige von den MPs 102 bestimmen.
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Die
zentralisierte Steuerung 120 kann den MPs 102 befehlen,
Datenpakete zu sammeln, und sie während des Energiesparbetriebs
in der gleichen Sendegelegenheit zu senden. Dieses Modell verringert
die effektiven Empfangs- und Sendedauern für ankommende und abgehende
Datenströme
und spart an sich Batterieleistung. Die MPs 102 speichern die
ankommenden Datenpakete vorübergehend
in einem Puffer anstatt sie jedes Mal, wenn die MPs 102 sie
empfangen, weiterzuleiten, und senden sie zur gleichen Zeit bündelweise
aus, um die Ausnutzung einer gewissen zugewiesenen Sendegelegenheit
zu maximieren. Dieses Modell minimiert die Anzahl von Konkurrenzen
um den Medienzugriff und hält
die HF-Empfangs- und Sendezeit niedrig. Die zentralisierte Steuerung 120 legt
Parameter bezüglich
der Verzögerung
und des benötigten
Speichers fest. Dieses Modell kann sowohl auf Echtzeitverkehr als
auch auf Nichtechtzeitverkehr angewendet werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann die vorliegende Erfindung in einer verteilten Betriebsart implementiert
werden. 3 ist ein Flußdiagramm
eines Verfahrens 300 zum Sparen von Batterieleistung der MPs 102 ohne
die Verwendung der zentralisierten Steuerung 120. Die MPs 102 treffen selbständig basierend
auf der Beobachtung der Funkumgebung, den wahrgenommenen Verkehrsflüssen, erwarteten
Anforderungen, dem Batterieenergiepegel oder ähnlichem Entscheidungen über alle Energiesparparameter
(wie etwa zu verwendende Frequenzkanäle, Dienstzeitintervalle, Leitwege
und die Ansammlung von Datenpaketen, jedoch nicht darauf beschränkt). Die
MPs 102 sind völlig
unabhängig,
und das Eintreten in den Energiesparbetrieb liegt in der Entscheidung
jedes einzelnen MP 102.
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Bezug
nehmend auf 3 und 5 umfaßt ein MP 102 eine Überwachungseinheit 502 und
eine Energiesparsteuerung 504. Die Überwachungseinheit 502 jedes
MP 102 überwacht
die Funkumgebung und/oder den durch den MP 102 fließenden Ver kehr (d.h.
die Menge und/oder die Art (z.B. Echtzeit gegen Nichtechtzeit) des
Verkehrs) und einen restlichen Batterieenergiepegel des MP 102,
verfolgt den Verkehrsverlauf und sagt kurzfristige Verkehrsflüsse voraus
(Schritt 302).
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Die
Energiesparsteuerung 504 des MP 102 steuert die
Arbeitsgänge
des MP 102 während
eines Energiesparbetriebs. Die Energiesparsteuerung 504 des
MP 102 bestimmt, ob ein zu einem bestimmten MP 102 gehörender vorbestimmter
Schwellwert bezüglich
der Funkumgebung und/oder des Verkehrs und/oder des restlichen Batterieenergiepegels
erreicht ist (Schritt 304).
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Wenn
der vorbestimmte Schwellwert erreicht ist (z.B. Verkehr unter einem
gewissen Pegel oder der Batterieenergiepegel erreicht einen gewissen
Pegel), löst
die Energiesparsteuerung 504 des bestimmten MP 102 einen
Energiesparbetrieb aus, nachdem benachbarte MPs zum Beispiel durch Rundsenden
eines Leerdatenrahmens über
das Auslösen
des Energiesparbetriebs informiert wurden (Schritt 306).
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Während des
Energiesparbetriebs implementiert der MP 102 ein oder mehrere
Modelle zum Energiesparen, wie hier weiter oben unter Bezug auf die
erste Ausführungsform
dargelegt. Der MP 102 kann mindestens einen Frequenzkanal
selektiv ein- und ausschalten, um die Batterieleistung zu sparen. Der
MP 102 kann entsprechend der durch die MPs 102 abgestimmten
Dienstzeitspanne, welche die Zeitsteuerung für das Gehen in einen Schlummerzustand
und das Aufwachen spezifiziert, in einen Schlummerzustand eintreten.
Der MP 102 kann den Leitweg in einer Art bestimmen, daß die in
dem Leitweg enthaltene Anzahl von MPs in einem Energiesparbetrieb
minimiert wird. Die MPs 102 können ankommende Pakete vorübergehend
in einen Puffer speichern und angesammelte Pakete zur gleichen Zeit
senden, um die Ausnutzung einer gegebenen Sendegelegenheit zu maximieren.
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Der
MP 102 kann mit Nachbar-MPs über betriebliche Änderungen
(wie etwa den Betriebsfrequenzkanal, das geplante Dienstzeitintervall,
einen Leitweg und die Ansammlung von Verkehrsdaten) verhandeln oder
kann die betrieblichen Änderungen einfach
bekannt geben.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung unter Bezug auf L2- und/oder L3-Signalisierung beschrieben wird,
sollte bemerkt werden, daß sie
mit jeder ISO-Signalisierungsebene implementiert werden kann. Zum Beispiel
würde ein
Protokoll, wie etwa CAPWAP RFC über
UDP/IP (d.h. L5) signalisiert. Außerdem kann die Signalisierung über SNMP
oder auf der Anwendungsschicht unter Verwendung einer proprietären Verwaltungssoftware
oder Firmware implementiert werden.
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Eine
Vorrichtung zum Sparen von Energie in batteriebetriebenen Maschenpunkten
(MPs) in einem Maschennetz wird offenbart. In einer Ausführungsform
ist in dem Maschennetz eine zentralisierte Steuerung vorgesehen.
Jeder der MPs signalisiert mit dem Sparen von MP-Batterieleistung
verbundene Informationen und stellt Anzeigen für die zu den jeweiligen MPs
gehörigen
Batterieenergiepegel an die zentralisierte Steuerung bereit. Die
zentralisierte Steuerung optimiert die Konfiguration des Maschennetzes
basierend auf der Signalisierungsinformation zum Sparen von MP-Batterieleistung
und den Batterieenergiepegelanzeigen. In einer alternativen Ausführungsform überwacht
jeder der MPs einzeln durch den jeweiligen MP fließenden Verkehr
und einen zu dem jeweiligen MP gehörigen Batterieenergiepegel. Jeder
der MPs bestimmt, ob eine zu dem jeweiligen MP gehörige Energiesparfunktion
aktiviert werden soll, und signalisiert mit dem Sparen von MP-Batterieleistung
verbundene Informationen an benachbarte MPs in dem Maschennetz.
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Obwohl
die Merkmale und Elemente der vorliegenden Erfindung in den bevorzugten
Ausführungsformen
in bestimmten Kombinationen beschrieben sind, kann jedes Merkmal
oder Element allein, ohne die anderen Merkmale und Elemente der
bevorzugten Ausführungsformen,
oder in verschiedenen Kombinationen mit oder ohne andere Merkmale
und Elemente der vorliegenden Erfindung verwendet werden.