DE4106974C2 - Mehrfach-Quittierungsverfahren für Multi-hop Paketfunknetze - Google Patents

Mehrfach-Quittierungsverfahren für Multi-hop Paketfunknetze

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Description

Überblick
Das Mehrfach-Quittierungsverfahren zur gesicherten Datenübertragung in einem Kommu­ nikationsnetz mit folgenden Merkmalen:
  • - das Kommunikationsnetz besteht aus mobilen Stationen oder aus mobilen und festen Stationen, wobei die Übertragung der Information zwischen Stationen über geeignete Übertragungsmedien erfolgt,
  • - die Kommunikation erfolgt verbindungslos (datagrammorientiert),
  • - die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität wird mittels eines zufallsorientierten Vielfachzugriffsprotokolls (S-ALOHA, CSMA) verfügbar gemacht,
  • - alle Stationen verfügen über gleiche Sendeleistung; falls eine direkte Signalübertragung zwischen kommunizierenden Stationen aus physikalischen, technischen oder funktionalen Gründen nicht möglich ist, muß die Kommunikation (multi-hop) über andere Stationen erfolgen, die (in diesem Fall) als Vermittlung (Relais) fungieren,
  • - die Verkehrsbeziehungen der Stationen untereinander sind homogen, d. h. jede Station kommuniziert mit allen anderen Stationen im Netz gleichwahrscheinlich, evtl. über multi- hop Routen,
  • - jede Station verwaltet und aktualisiert ständig die für die Kommunikation benötigten netzspezifischen Daten (Teilnehmerverzeichnis, Routing-Tabellen) selbst.
Beschreibung
Ein mobiles Funknetz kann entweder ein selbständiges (lokales) Kommunikationssystem sein oder Teilnetz eines größeren Kommunikationsnetzes und über bestimmte (u. U. feste) Stationen mit anderen öffentlichen oder privaten Kommunikationsnetzen gekoppelt sein.
Bei Funkübertragung und Verwendung omnidirektionaler (rundstrahlender) Antennen lie­ gen ähnliche Verhältnisse vor wie bei einem Bussystem: alle Stationen können potentiell jede Sendung empfangen. In multi-hop Funknetzen können, bedingt durch die begrenzte Sendereichweite, nur dem Sender benachbarte Stationen empfangen. Bei der Kommunika­ tion zwischen nicht benachbarten Stationen werden Datenpakete multi-hop über mehrere sequentielle Teilstrecken übertragen. Dadurch können u. U. implizite anstatt expliziter Quit­ tungen gewonnen werden. Jede beobachtende Station kann erkennen, ob es sich bei dem aktuell übertragenen Datenpaket um ein von ihr zu einem früheren Zeitpunkt übertragenes Paket handelt oder nicht. Beobachtet eine Station ein zuvor von ihr übertragenes Daten­ paket, so weiß sie, daß ihre Übertragung erfolgreich war und gewinnt also eine implizite Quittung. Bei vollvermaschten Paketfunknetzen besteht diese Möglichkeit nicht, so daß dort explizite Quittungen erforderlich sind. Dies muß entweder auf separaten Quittungs­ kanälen erfolgen, oder der für Datenübertragungen verwendetete Kanal muß zusätzlich für Übertragungen von Quittungen genutzt werden. Die zusätzliche Netzbelastung durch expli­ zite Quittungspakete im gleichen Kanal ist bereits untersucht worden. In [TOKL.78] wird gezeigt, daß dabei unerwünschte Korrelationseffekte entstehen, die zu erheblicher Durchsatz­ minderung führen. In teilvermaschten Funknetzen mit sternförmiger Stationsanordnung und Verwendung des S-ALOHA Zugriffsprotokolls reduziert sich dabei der Nutzdaten-Durchsatz auf weniger als 50% des Wertes, der bei Übertragung expliziter Quittungen auf separaten Kanälen erreichbar ist, vgl. [ELSA.82]. In [ELSA.83] wird eine Methode zur Gewin­ nung impliziter Quittungen für multi-hop kommunizierende Stationen beschrieben. Dieses Verfahren wird hier aufgegriffen und verbessert.
Der Begriff ECHO bezeichnet den Empfang einer ursprünglich selbst abgestrahlten Sendung. Die Rundstrahl-Charakteristik omnidirektionaler Antennen ermöglicht, daß jede Station in multi-hop Funknetzen grundsätzlich die Übertragung benachbarter Stationen beobach­ ten kann. Dabei gewinnt sie immer dann ein ECHO, wenn eine Relaisstation ihr dorthin übertragenes Paket empfangen hat und dessen Weitersenden beobachtet werden kann, vgl. [ELSA.83].
Die prinzipielle Möglichkeit, ein ECHO zu erhalten und daraus eine ECHO-Quittung ab­ zuleiten, kann man sich anhand folgenden Beispiels verdeutlichen.
In Bild 1 kommuniziert S1 über S2 mit S5. Station S1 überträgt ihr Datenpaket zu S2 (vgl. Bild 1a) und beobachtet für die Dauer eines festgelegten Sender-time-outs die Übertragun­ gen von S2. Bei erfolgreichem Empfang des Paketes von S1 ordnet S2 das Paket gemäß der Abfertigungsreihenfolge FCFS in eine stationslokale Sender-Warteschlange ein. Station S2 überträgt eventuell zunächst früher angekommene Pakete, bevor das von S1 erhaltene Paket gesendet wird. Wenn S2 das von S1 empfangene Paket zu S5 überträgt, vgl. Bild 1b, kann S1 bei erfolgreichem Mithören des eigenen Paketes implizit eine ECHO-Quittung ge­ winnen. Der Vorteil des Verfahrens liegt in seiner einfachen Realisierung ohne zusätzlichen Mehraufwand. Anstelle einer expliziten, wird durch das ECHO eine implizite Quittierung ermöglicht.
Nachteilig ist, daß:
  • - der Sender-time-out ausreichend groß gewählt werden muß, damit auch bei evtl. gefüll­ ter Sender-Warteschlange der Relaisstation S2 die implizite Quittung noch abgewartet werden kann. Dies führt zu einer großen Zeitverzögerung pro Hop.
  • - bei erfolgloser Übertragung von S1 zu S2 keine Quittung gewonnen wird. Der gesamte Sender-time-out verstreicht, bevor eine Paketwiederholung erfolgen kann. Dies führt ebenfalls zu einer großen Zeitverzögerung pro Hop.
  • - im Falle einer mit der Relaisstation zeitgleichen Übertragung einer Nachbarstation von S1 oder von S1 selbst, keine ECHO-Quittung gewonnen wird. Dann wird die Übertragung unnötig wiederholt, obwohl das Paket möglicherweise bereits von S5 empfangen wurde. Mehrfach empfangene Pakete (Duplikate) müssen vernichtet und explizit quittiert wer­ den.
  • - bei Empfang durch eine Zielstation die vorhergehende Station keine ECHO-Quittung erwarten kann, da das Paket nicht weitergereicht wird. Zielstationen müssen deshalb grundsätzlich ein explizites Quittungspaket übertragen.
Das ECHO-Verfahren zeichnet sich zwar durch einfache Realisierung aus, verfügt aber über unbefriedigende Leistungsmerkmale.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, in einem Paket mehrere Quittungen für verschiedene Stationen in einem Funknetz zu übertragen und dadurch zu erreichen, dass trotz funkbedingter Störungen Quittungen schnellstmöglich und zuverlässig die darauf wartenden Stationen erreichen.
Das Mehrfach-Quittierungs-(MQ-)Verfahren nutzt - ähnlich wie das ECHO-Verfahren - die Rundstrahl-Charakteristik omnidirektionaler Antennen aus, um den Erfolg einer zuvor stattgefundenen Übertragung an der Weiterübertragung durch ein Relais zu erkennen. Um den hohen Anteil nicht genutzter Quittunge (bzw. unnötiger Paketwiederholungen) beim ECHO-Verfahren zu reduzieren, werden beim MQ-Verfahren Quittungen als Bestandteil von Datenpaketen piggy-backed (engl. huckepack) mehrfach übertragen.
Durch Einführung paarweise verwalteter Sende- und Empfangszähler wird der (Miß-)Erfolg einer Übertragung folgendermaßen festgestellt:
  • - Ein sog. Sendezähler SZ wird bzgl. jeder Nachbarstation getrennt geführt und in einer stationslokalen Tabelle verwaltet. Er wird vor jeder Übertragung inkrementiert und gibt die Nummer des zuletzt gesendeten Paketes an.
  • - Analog wird ein Empfangszähler EZ bzgl. jeder Nachbarstation bei erfolgreichem Emp­ fang inkrementiert und gibt die Nummer des nächsten erwarteten Paketes an. Die Emp­ fangszähler EZ aller benachbarten Stationen werden in einem Quittungsvektor zusam­ mengefaßt und in jedem Paket übertragen, vgl. Bild 2.
Sende- und Empfangszähler werden analog benutzt wie vom HDLC-Protokoll bekannt, vgl. [ISO.4335]. Im Unterschied zu HDLC werden gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur ein, sondern mehrere Empfangszähler (einer je benachbarte Station) übertragen und ihre Anzahl variiert in Abhängigkeit der Zahl benachbarter Stationen.
Da der Empfangszähler die Nummer des nächsten erwarteten Paketes angibt, ist der Ver­ lust von daraus ableitbaren positiven oder negativen Quittungen unmöglich, es sei denn, die betreffende Station verliert den Funkkontakt. Bei jeder Übertragung einer Station können am Stand des entsprechenden Empfangszählers von allen empfangenden Stationen der (Miß-)Erfolg eigener früherer Übertragungen erkannt werden.
Beide Zähler werden MOD f, (z. B. f = 8) verwaltet, d. h. daß jede Station maximal (f - 1) Pakete in Folge senden darf, ohne auf eine Quittung warten zu müssen. Vorteilhaft ist, daß die Empfangszähler praktisch beliebig lange den Nachbarn zugänglich sind. Da der Emp­ fangszähler die Nummer des nächsten erwarteten Paketes angibt, ist der Verlust von daraus ableitbaren positiven oder negativen Quittungen unmöglich, es sei denn, die betreffende Station verliert den Funkkontakt.
Bei jeder Übertragung einer Station können am Stand des sie betreffenden Empfangszählers von allen empfangenden Stationen der (Miß-)Erfolg eigener früherer Übertragungen zu S erkannt werden. Das setzt voraus, daß jede Nachbarstation Sj die Position des sie betreffen­ den Empfangszählers EZj im Quittungsvektor der Station Si kennt. Dies läßt sich dadurch realisieren, das jede Station Si ihre lokalen Nachbarstationen durchnumeriert. Damit jede Nachbarstation Sj die Position des sie betreffenden Empfangszählers im Quittungsvektor von Si kennt, wird in jedem Paket von Si zu Sj durch die Variable POS im Paketkopf die Position des Empfangszählers EZj angegeben, vgl. Bild 2. Den beobachteten Stationen muß die Länge des Quittungsvektors bekannt sein, um den Anfang der Nutzdaten zu ken­ nen. Dazu gibt jede Station Si die Anzahl S ihrer Nachbarn im Paketkopf an, wodurch jeder beobachtenden Station die Anzahl aktuell verwalteter Empfangszähler im Quittungsvektor bekannt ist. Die Länge des Quittungsvektors beträgt bei Nutzung des Empfangszählers MOD f und S Nachbarstationen S . ld(f) bit.
Erhöht/verringert sich die Zahl Nachbarstationen, vergrößert/verkleinert sich die Zahl im Quittungsvektor erforderlicher Bit um ld(f) bit. Falls Station Si Funkkontakt zu einer bis­ lang nicht empfangenen Station Sj bekommt, wird S inkrementiert, für die neue Nachbar­ station Sj ein Empfangszähler eingerichtet und der Quittungsvektor entsprechend erweitert. Bei Verlust des Funkkontaktes zu einer Nachbarstation (z. B. zu S4 in Bild 2), kann deren Empfangszähler gelöscht werden. Nach Löschung eines Empfangszählers kann es sinnvoll sein, Plätze anderer Empfangszähler im Quittungsvektor umzuordnen. Z. B. ordnet S17 der Station auf der letzten Position ihres Quittungsvektors (hier S13) die Position von S4 zu. Im nächsten zu S13 gesendeten Paket teilt S17 mit POS = 3 die neue Position ihres Emp­ fangszählers mit. Solange S17 keine positive Quittung für ihr an S13 gesendetes Paket bei S13 beobachtet, muß S17 den Empfangszähler EZ13 sowohl auf der alten (5.) als auch auf der neuen (3.) Position gleichzeitig führen. Erst danach darf sie ihn löschen, wobei ein Platz im Quittungsvektor entfällt, der für Nutzdaten verwendet werden kann. Offenbar ist die Länge des Quittungsvektors veränderlich, auf Kosten des Datenteils von Paketen.
Empfangt eine Station Si ein Paket von S17, dann vergleicht sie ihren Sendezähler SZ17 mit dem für sie relevanten EZi und kann daraus negative bzw. positive Quittungen ableiten. Ein von S17 beobachteter Quittungsvektor liefert für alle benachbarten Stationen Si immer eine
  • - positive Quittung, ↔ SZ17 + 1 = EZi,
  • - negative Quittung, ↔ SZ17 + 1 ≠ EZi.
Da jede Station nach dem continuous ARQ-Verfahren mit einem Fenster (f ≧ 1) arbeitet, kann die negative Quittung für das letzte gesendete Paket gleichzeitig eine positive Quittung für vorher gesandte Pakete sein und wird auch so ausgewertet.
Das MQ-Verfahren hat folgende Vorteile:
  • - Gewinnung impliziter positiver/negativer Quittungen bei jeder Übertragung durch alle beobachtenden Stationen über den Quittungsvektor.
  • - Der Quittungsvektor enthält, abhängig von der Länge des Sender-time-outs m beob­ achtender Stationen, u. U. Quittungen für mehrere Pakete derselben Station und Pakete verschiedener Stationen.
  • - Bei ausreichend großem Verkehrsaufkommen wird der Quittungsvektor vor Ablauf des Sender-time-outs mehrfach übertragen, so daß der Verlust einer Quittung durch Kollision unwahrscheinlich ist. Dies verringert die Zahl unnötiger Wiederholungen.
  • - Besteht eine Warteschlange zu übertragender Pakete beim Empfänger, dann beinhaltet bereits seine 1. Übertragung positive bzw. negative Quittungen.
  • - Bei Rundspruch-Paketen, wo u. U. mehrere Empfänger als Relais adressiert werden und explizite Quittungen sehr wahrscheinlich kollidieren würden, ist das Verfahren besonders leistungsfähig.
Nachteilig sind:
  • - der Verlust an Kanalkapazität durch piggy-backed Übertragung des Quittungsvektors in jedem Paket (bei z. B. einer Fenstergröße f = 8 benötigt man 3 bit pro EZ und bei S = 8 ergibt sich eine Länge von 24 bit, zzgl. je 4 bit für POS und S),
  • - daß mit abnehmendem Verkehrsaufkommen die Wahrscheinlichkeit steigt, daß Zielstatio­ nen nach z slot (z ≦ m) vor Ablauf des time-outs des jeweiligen Senders eine explizite Quittung übertragen müssen. Dieser Nachteil ist nicht durch das Verfahren bedingt, das den maximal möglichen Durchsatz bei unbegrenztem Sender-time-out (m = ∞) erreicht, sondern durch Rücksichtnahme auf Wartezeit-Forderungen, die durch kleine time-outs z begünstigt werden.
Das MQ-Verfahren wird nachfolgend beschrieben.
Literatur
/BRAS.90/ V. Brass: Ein Quittierungsverfahren für Multi-Hop Paketfunknetze; angenom­ mene Dissertation im Fachbereich Elektrotechnik der Fern Universität Hagen; (Dez. 1990).
/ELSA.82/ M. Y. Elsanadidi, W. M. Chu: Study of Acknowledgement Schemes in a Star Multiaccess Network, IEEE Trans. on Com., Vol. COM-30, No. 7, pp 1657-­ 1664 (Jul. 1982).
/ELSA.83/ M. Y. Elsanadidi, W. M. Chu: Simulation studies of the behaviour of multi-hop broadcast networks; Computer Science Department, UCLA 90024 (erschienen in: ACM, Communications Architectures and Protocols, SIGCOM 1983 Sym­ posium, pp 170-177 (1983).
/ISO.4335/ ISO, HDLC H
igh level D
ata L
ink C
ontrol, 1978, vgl. DIN 66221.
/TOKL.78/ F. A. Tobagi, L. Kleinrock: The effect of acknowledgement traffic on the capa­ city of packet switched radio channels, IEEE Trans. on Com., Vol. COM-26, No. 6, pp 815-826 (Jun. 1978).

Claims (5)

1. Effizientes Quittierungsverfahren für Broadcast-Anwendungen mit multi-hop Kommu­ nikation, wobei Quittungen für erfolgreich übertragene Pakete nicht explizit übertra­ gen werden, sondern implizit durch Beobachtung von Quittungsinformation als Teil von Übertragungen benachbarter Stationen gewonnen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine piggy-backed Übertragung der Empfangszähler aller, in der Broadcast-Umgebung einer Station befindlichen Stationen als Teil jedes Paketes erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung der von jeder Station übertragenen Empfangszähler mit dem Ziel vorgenommen wird, implizite positive bzw. negative Quittungen für früher selbst gesendete Pakete zu gewinnen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Anpassung der Zahl in jedem Paket übertragener Empfangszähler an die augenblickliche, durch Mobilität der Stationen sich lokal ergebende, Zahl von Nachbarstationen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Paketkopf einer sendenden Station mehrere Variablen auftreten, von denen jede die Position des Empfangszählers im Quittungsvektor für eine bestimmte der in Rundspruch-Paketen adressierten Stationen angibt.
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