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Die
vorliegende Erfindung betrifft Funkkommunikationssysteme und konkret
ein Adressierungsschema für
ein IP-basiertes
Funkzugriffsnetz.
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In
einem konventionellen Funkkommunikationsnetz hat ein Funkterminal
Zugriff über
eine Funkschnittstelle auf ein Funkzugriffsnetz, welches die zweckbestimmte
Infrastruktur ist, um die Verbindungen zwischen dem Funkterminal
und verschiedenen anderen möglichen
Endbenutzern aufzubauen und zu steuern, zum Beispiel einem anderen
Funkterminal, einem Festgerät
oder einem Web-Server.
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Ein
Funkzugriffsnetz besteht hauptsächlich aus
Basisstationen und ihrem Controller. Endbenutzerdaten und Verbindungssteuerdaten
werden über das
Funkzugriffsnetz zwischen diesen Netzelementen transportiert.
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Im
Fall von konventionellen mobilen GSM-Funkkommunikationsnetzen wird das Funkzugriffsnetz
kundenspezifisch an den GSM-Standard mit zum Beispiel Festanschlüssen zwischen
einer Basisstation und ihrem Controller angepaßt.
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In
Funkkommunikationsnetzen der dritten Generation, wie UMTS zum Beispiel,
hat es sich als besser erwiesen, ein Defacto-Standardnetzwerk (z.B.
ein ATM- oder IP-Netzwerk) als zugrundeliegende Transportmöglichkeit
in dem Funkzugriffsnetz an Stelle eines Funkzugriffsnetzes, das
speziell für
das Funkkommunikationsnetz angepaßt wurde, zu verwenden. Dies
macht es möglich,
die neuen Verbesserungen hinsichtlich der Performance und der Dienstgüte, die
erreicht wurden, wiederzuverwenden und weiter auf dem Gebiet des
IP- oder ATM-Transportes
zu verbessern. Um diese De-facto-Standardnetzwerke an die spezifischen
Anforderungen eines Funkzugriffsnetzes anzupassen, müssen spezielle Schichten über der
IP- oder ATM-Transportschicht implementiert
werden.
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1 stellt
ein Beispiel eines IP-Backbone-Netzwerkes dar, das als Transportschicht
eines Funkzugriffsnetzes in einem UMTS-Funkkommunikationsnetz verwendet
wird. Die Basisstationen in einem UMTS-Funkkommunikationsnetz werden
als Knoten B bezeichnet und die Controller der Basisstation werden
als Funknetzsteuerung (Radio Network Controller/RNC) bezeichnet.
Mehrere Basisstationen 101,..., 104 sowie mehrere
RNC 111, 112 werden als Hosts des IP-basierten
Funkzugriffsnetzes (Radio Access Network) betrachtet und sind miteinander über Edge-Router 121,..., 124 und
Core-Router 131,..., 133 verbunden. Der Verbund
der Edge-Router 121,..., 124 und Core-Router 131,..., 133 bildet den
IP-Backbone.
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Die
wichtigste Aufgabe des Funkzugriffsnetzes besteht darin, die Kommunikation
zwischen einer Basisstation und ihrer entsprechenden RNC (Schnittstelle
IuB) sowie die Kommunikation zwischen mehreren RNC (Schnittstelle
lur) zu ermöglichen.
In einem IP-basierten Funkzugriffsnetz kann diese Kommunikation
aus mehreren Hops, mehreren Edge-Routern oder Core-Routern aufgebaut
sein, die die Verbindung zwischen zwei Hosts steuern.
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In
solch einem IP-basierten Funkzugriffsnetz können die physikalischen Verbindungen
zwischen den verschiedenen Routern verschiedene Technologien vereinen.
Transportfunktionen wie zum Beispiel die Adressierung und das Routing
werden gemäß dem IP-De-facto-Standard
durchgeführt.
Alle Elemente des Funkzugriffsnetzes (z.B. Basisstationen 101,..., 104,
RNC 111, 112, Router 121,..., 124 und 131,..., 133)
bekommen eine IP-Adresse zugewiesen und können eindeutig mit dieser IP-Adresse adressiert
werden. Die IP-Schicht des IP-basierten Protokollstacks ist für das Übertragen
der Daten zwischen Hosts verantwortlich.
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Eine
Protokollschicht, die der IP-Schicht übergeordnet wurde, ist für das Unterscheiden
unter vielen Datenquellen und Zielen innerhalb eines einzelnen Host
verantwortlich. Diese verschiedenen Quellen oder Ziele können verschiedene konkurrierende
Anwendungen sein. Dies wird von der Parallelverarbeitung und dem
Multitasking gefordert, die an Basisstationen oder Basisstationscontrollern
durchgeführt
werden, die eine hohe Rechenleistung aufweisen.
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Ein
Beispiel solch einer Schicht in dem IP-basierten Protokollstack
ist das UDP-Protokoll (User Datagram Protocol), ein anderes Beispiel könnte das
TCP-Protokoll (Transmission Control Protocol) sein. UDP oder TCP
stellen beide zwei Dienste bereit, die von der IP-Schicht nicht
bereitgestellt werden. Sie stellen Portnummern bereit, um das Unterscheiden
verschiedener Quellen und Ziele innerhalb eines einzelnen Host zu
erleichtern, und optional eine Prüfsummenfunktion, um zu überprüfen, daß die empfangenen
Daten in Ordnung sind.
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In
dem OSI-Kommunikationsmodell (Open Systems Interconnection) entspricht
IP der Schicht 3, der Vermittlungsschicht. UDP, ähnlich TCP, ist in Schicht
4, der Transportschicht. Das User Datagram Protocol ist von der
Internet Engineering Task Force (Request for Comments 768) spezifiziert.
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Das
Dokument WO 99/01991 des Standes der Technik offenbart ein System,
um einen Trägerdienst
des Funkzugriffsnetzes zu bestimmen, der den gegenwärtigen Erfordernissen
einer spezifischen TCP/UDP/IP-Anwendung unter Verwendung einer allgemein
bekannten Portnummer am besten entspricht.
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Diese
Erfindung betrifft die Anpassung eines IP-basierten Funkzugriffsnetzes
an die spezifischen Anforderungen eines Funkkommunikationsnetzes. Eine
dieser spezifischen Anforderungen ist, daß der reine Funkteil des Funkkommunikationsnetzes
von konventionellen IP-De-facto-Standards
nicht unterstützt
wird.
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Der
Funkteil eines Funkkommunikationsnetzes unterstützt zum Beispiel verschiedene
Kanalarten. Eine erste Kategorie dieser Kanalarten sind zweckbestimmte
Kanäle
(z.B. zweckbestimmte Verkehrskanäle
DTC), welche ausschließlich
einer Kommunikation zugeordnet werden. Eine andere Kategorie von
Funkkanalarten sind Gleichkanäle.
Diese Funkkanäle
multiplexen Daten, die zu verschiedenen Verbindungen gehören, oder
Daten, die von verschiedenen Verbindungen gemeinsam genutzt werden.
Beispiele für
Gleichkanalarten sind der Random Access Channel (RACH) oder der
Broadcast Channel (BCH). Dies ist keine erschöpfende Aufzählung aller möglichen
Kanalarten. Die vollständige
Liste der verschiedenen Kanalarten ist vom Funkkommunikationsnetz
abhängig
und ist in der Spezifikation der Funkschnittstelle jedes Funkübertragungskanals
beschrieben.
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Die
Möglichkeit,
zwischen verschiedenen Kanalarten zu unterscheiden, ist in dem IP-De-facto-Standard
nicht gegeben. Eine Protokollumwandlung muß zwischen dem IP-basierten
Funkzugriffsnetz und dem Funkport des Funkkommunikationsnetzes implementiert
werden, um dieses Problem zu beheben und das Zusammenwirken zwischen
dem IP-basierten Funkzugriffsnetz und dem Funkteil des Funkkommunikationsnetzes
zu gewährleisten.
Diese Protokollübersetzung
findet vorzugsweise an der "Kante" des Funkzugriffsnetzes
(z.B. in den Basisstationen oder in dem Basisstationscontroller)
statt.
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Ein
Verfahren zum Lösen
dieses Problems ist bereits in ATM-basierten Funkzugriffsnetzen bereitgestellt
und besteht in der Verwendung der in dem ATM-De-facto-Standard spezifizierten
Zeichengabeebene, um die spezifischen Parameter des Funkteils zu
transportieren. Die Benutzerdaten werden parallel über eine
Verbindung transportiert, die zwischen der Basisstation und der
RNC aufgebaut wurde. Jedoch im Gegensatz zu ATM, die grundsätzlich verbindungsorientiert
ist, ist IP grundsätzlich
verbindungslos und stellt keine Zeichengabeebene bereit.
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Folglich
muß jeder
zusätzliche
Kommunikationsparameter durch Hinzufügen eines Feldes in der Nutzlast
der in dem IP-basierten
Funkzugriffsnetz vermittelten IP-Pakete transportiert werden. Dieses weitere
Feld, das den weiteren Kommunikationsparameter enthält (z.B.
die Art des Kanals, auf dem diese Information auf dem Funkteil des
Netzwerkes abgebildet werden muß),
ist möglicherweise
Teil der Header einer Kommunikationsinstanz, die in dem UDP-Paket
verkapselt ist.
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Ein
Nachteil dieses Verfahrens würde
mehr Overhead und langsamere Übertragung
sowie Verzögerung
der Verarbeitung sein. Dies ist alles problematischer, weil es entscheidend
ist, die Verzögerungen
beim Hindurchgehen durch das Netzwerk so gering wie möglich zu
halten, um eine annehmbare Dienstgüte zu garantieren. Dieses Verfahren
hat ebenfalls den Nachteil, daß sich
der Datendurchsatz an der Schnittstelle zwischen dem Funkzugriffsnetz und
der Funkschnittstelle verringert.
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Eine
spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Adressierungsschema
bereitzustellen, das keine separate Zeichengabeebene zum Signalisieren
der Art des Funkkanals benötigt,
auf welchem Daten, die für
ein Funkterminal bestimmt sind, auf einer Funkschnittstelle transportiert
werden müssen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Benutzung eines
weiteren Feldes zum expliziten Spezifizieren der Funkkanalart zum Übertragen
der entsprechenden Daten über
die Luftschnittstelle zu sichern.
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Diese
Aufgaben und andere, die unten genannt sind, werden durch ein in
einem IP-basierten Funkzugriffsnetz zu verwendendes Adressierungsschema
erreicht, wobei das Funkzugriffsnetz eine Vielzahl von Basisstationen
und mindestens einen Basisstationscontroller umfaßt, die
alle miteinander unter Verwendung eines TCP/IP- oder UDP/IP-basierten Protokollstacks
kommunizieren, wobei jede Basisstation vorgesehen ist, um mit einer
Vielzahl von Funkterminals zu kommunizieren, die Zugriff auf das
Funkzugriffsnetz über
mindestens zwei verschiedene Arten von Funkkanälen haben. Das Adressierungsschema
besteht darin, daß die
Art des Funkkanals, über
den die Basisstation mit einem der Funkterminals kommuniziert, implizit
und eindeutig durch eine Portnummer bestimmt ist, die in jedem TCP- oder
UDP-Datenpaket angeführt ist,
das über
das Funkzugriffsnetz vermittelt wurde und zu einer Verbindung mit
dem Funkterminal gehört.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, daß sich der
für die
Protokollübersetzung
zwischen einem IP-basierten Funkzugriffsnetz und dem Funkteil des Kommunikationsnetzwerkes
notwendige Overhead verringert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Basisstation nach
Anspruch 6 und eine Funknetzsteuerung nach Anspruch 8.
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Andere
Charakteristika und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Implementierung mittels nicht
einschränkender
Erläuterungen
und aus den beigefügten
Zeichnungen deutlich:
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1 zeigt
eine physikalische Architektur eines IP-basierten Funkzugriffsnetzes;
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2 zeigt
das Prinzip des Adressierungsschemas gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 war
bereits in Zusammenhang mit dem technischen Problem beschrieben
worden, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
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UDP
wird TCP im Folgenden vorgezogen, weil es die Verzögerungsanforderungen
eines Funkzugriffsnetzes besser als TCP erfüllt. Anders als TCP bietet
UDP nicht die Möglichkeit,
eine Mitteilung in Pakete (Datagramme) zu unterteilen und sie am
anderen Ende wieder zusammenzufügen.
Insbesondere bietet UDP nicht die Übertragunsgwiederholung von
Paketen. Diese spezifischen Merkmale von TCP wirken sich auf die
Ende-zu-Ende-Verzögerung in dem
Funkzugriffsnetz schlecht aus.
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Jedoch
könnte
das oben beschriebene Adressierungsschema ebenfalls in einem IP-basierten
Protokollstack Anwendung finden, das TCP verwendet, weil TCP wie
UDP das Prinzip der Portnummern nutzt.
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2 zeigt
ein IP-Paket, das in einem IP-basierten Funkzugriffsnetz vermittelt
wurde, und erklärt das
Adressierungsschema gemäß der Erfindung.
In dem OSI-Kommunikationsmodell
beruht der IP-basierte Protokollstack auf der Verkapselung einer Kommunikationseinheit,
die zu einer bestimmten Schicht in einer Protokolleinheit gehört, die
zu der Schicht direkt darunter gehört. Das IP-Paket 20 umfaßt einen
IP-Paketkopf 21 und eine IP-Paketnutzlast 22.
Die IP-Paketnutzlast 22 verkapselt
ihrerseits eine UDP-Mitteilung, die aus einem UDP-Header 23 und einer
UDP-Nutzlast 24 besteht. Die UDP-Nutzlast 24 verkapselt
eine spezifische Mitteilung des Funkteils. Der Header 25 dieser
Mitteilung umfaßt
unter anderem den Verweis des Funkterminals des Endbenutzers, für wen diese
Mitteilung bestimmt ist (beziehungsweise von wem sie empfangen wurde)
und die Nutzlast 26 dieser Mitteilung enthält die Endbenutzerdaten.
Der Verweis des Funkterminals des Endbenutzers enthält vorzugsweise
eine Adresse, die auf das Funkterminal des Endbenutzers verweist. Diese
Adresse ist in dem Bereich der Basisstation eindeutig, mit welcher
das Funkterminal des Endbenutzers verbunden ist.
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Der
UPD-Header 23, wie im IETF-Standard spezifiziert, ist in
vier Felder zu zwei Byte unterteilt, in denen die folgenden Parameter
spezifiziert werden:
- – der Port, von dem die UPD-Nutzlast
gesendet werden muß (Source-Port-Nummer
SPN);
- – der
Port, für
den die UDP-Nutzlast bestimmt ist (Ziel-Port-Nummer DPN);
- – die
Länge L
der UPD-Nutzlast; und
- – eine
Prüfsumme
CRC der UDP-Nutzlast.
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Die
Ziel-Port-Nummer wird verwendet, um das IP-Paket korrekt zu demultiplexen
und jede UPD-Nutzlast an die Anwendung weiterzusenden, die dem Ziel-Port
entspricht. Gewöhnlich
werden der Source-Port und der Ziel-Port nur intern in einem Host
(z.B. Basisstation oder RNC) verwendet. Ein Pool von Portnummern
wird für
konkurrierende Anwendungen reserviert, die parallel eine identische Aufgabe
ausführen.
Bei herkömmlicher
Verwendung des UDP-Protokolles werden die Portnummern entweder zufällig einer
Anwendung, wenn sie aktiviert wird, oder in Übereinstimmung mit einem Algorithmus für zyklische
Suche (Round-Robin-Algorithmus) zugeordnet. Diese Erfindung besteht
im Gegensatz zu der oben beschriebenen zufälligen Portnummernzuweisung
im Verwalten des Pools der verfügbaren Portnummern
auf eine Weise, daß jede
Portnummer nicht mehr nur für
die interne Verarbeitung auf dem Host verwendet wird, sondern auch
eine Information transportiert, die sich auf die Art des Funkkanals, über welchen
die Daten zu senden sind, beziehungsweise die Art des Funkkanals,
von welchem die Daten empfangen werden, bezieht. Für diesen
Zweck wird der Pool der Portnummern in mehrere Gruppen von Portnummern
unterteilt, wobei jede Gruppe ausschließlich für das Verarbeiten der Daten
verwendet wird, die über
eine vordefinierte Art des Funkkanals zu senden oder zu empfangen
sind.
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Der
Pool der Portnummern sowie die Zuordnung einer Gruppe von Portnummern
zu einer Kanalart können
vorzugsweise in derselben Weise für jeden Host in dem Funkzugriffsnetz
sein.
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Eine
erste Gruppe von Portnummern sollte für Daten verwendet werden, die über eine
erste Kanalart nach der Protokollübersetzung an der Basisstation
zu senden sind. Eine zweite Gruppe wird für Daten verwendet, die über eine
zweite Kanalart zu senden sind und so weiter.
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Jede
Gruppe sollte mindestens eine Portnummer enthalten, Wie bereits
erwähnt,
ist die genaue Anzahl der Kanalarten aus der Spezifikation für die Funkschnittstelle
des betrachteten Funkkommunikationsnetzes zu entnehmen.
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Die
Ziel-Port-Nummer in dem UDP-Header wird verwendet, um die Zugehörigkeitsportnummer zu
erhalten, die Kanalart, die auf der Funkschnittstelle zu verwenden
ist. Es wäre
ebenfalls denkbar, die Source-Port-Nummer in dem UDP-Header zu verwenden,
um diese Zugehörigkeit
herzustellen. Es muß die
Auswahl zwischen der Anwendung des einen Parameters oder des anderen
Parameters getroffen werden.
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Die
Größe der verschiedenen
Gruppen sollte auf solch eine Weise festgelegt werden, daß sie die Last
an jeder verfügbaren Portnummer
ausgleicht und optimiert. Die Umsetzung zwischen den verfügbaren Portnummern
und den entsprechenden Kanalarten auf der Funkschnittstelle kann
ein Systemparameter sein, der beim Initialisieren des Funkzugriffsnetzes
initialisiert wird, so daß jede
Basisstation oder RNC darüber
informiert wird.
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Diese
Umsetzung kann in einer anderen Ausführungsform entsprechend den
Erfordernissen des Funkzugriffsnetzes dynamisch aktualisiert und an
die Basisstationen und die RNC übertragen
werden, sobald sie aktualisiert wurden. Ein Bereich des Betriebs-
und Wartungszentrums (OMC) des Funkzugriffsnetzes kann zum Beispiel
statistische Daten über
verschiedene Verkehrsströme
durch das Funkzugriffsnetz erfassen und eine optimale Umsetzung zwischen
den Portnummern und den Funkkanalarten bestimmen. Diese Aktualisierung
kann in einem konstanten Zeitintervall oder entsprechend einem anderen,
einem Fachmann bekannten Aktualisierungskriterium durchgeführt werden.
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Die
Entsprechung zwischen Portnummern und Kanalarten kann physikalisch
an einem Speicherort oder in einer Datenbank, die für die Basisstationen
und die RNC des Funkzugriffsnetzes erreichbar sind, gespeichert
sein. Dieser Speicherort kann zentral gelegen in dem Netzwerk oder
verteilt in verschiedenen Hosts sein.
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Mit
Ausnahme der Basisstationen und der RNC lassen die anderen Elemente
des Funkzugriffsnetzes (z.B. die Edge-Router und die Core-Router) transparent
die Ziel-Port-Nummer durch, die in dem UDP-Header enthalten ist,
ohne sie zu verändern.
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Im
Folgenden wird die Verwendung dieses Adressierungsschemas in einem
Host des Funkzugriffsnetzes (Basisstation oder RNC) im Detail erläutert.
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Ein
erster Teil beschreibt die Anwendung des Adressierungsschemas für Daten,
die von dem Funkzugriffsnetz an einer Basisstation ankommen und
an ein Funkterminal über
die Funkschnittstelle zu senden sind. Die Basisstation erkennt dank
der UPD Ziel-Port-Nummer, auf welcher Funkkanalart die Daten gesendet
werden müssen.
Ein Feld in der UDP-Nutzlast wird ebenfalls verwendet, um den Identifikator
des Endbenutzers zu übertragen,
für welchen
diese Daten bestimmt sind. Dieser Identifikator ist für alle Endbenutzer-Funkterminals eindeutig,
die zu einer Basisstation gehören.
Die Zugehörigkeit
des Endbenutzeridentifikators und des UDP-Ports bestimmt eindeutig das Ziel der
Mitteilung, die auf der Luftschnittstelle zu senden ist.
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Die
RNC ist ebenfalls für
die Protokollübersetzung
verantwortlich. Sie empfängt
gewöhnlich eine
Verbindungskennung von dem übrigen
Funkkommunikationsnetz und muß sie
in ein für
das Funkzugriffsnetz spezifisches Format übersetzen. Als eine Folge wird
die Verbindungskennung in ein Triplet übersetzt, das die IP-Adresse
der Basisstation, die UDP Ziel-Port-Nummer und den Endbenutzeridentifikator
beinhaltet. Diese Parameter sowie die Benutzerdaten werden anschließend verwendet,
um ein IP-Paket zu bilden, das über
das Funkzugriffsnetz zu senden ist.
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Ein
zweiter Teil beschreibt die Anwendung dieses Adressierungsschemas
für Daten,
die von einem Funkterminal an einer Basisstation empfangen wurden,
und an das Funkzugriffsnetz zu senden sind. Die Basisstation erkennt
die Art des Funkkanals, auf dem diese Daten empfangen wurden. Sie
wählt eine verfügbare Portnummer
aus dem Speicherort aus, die zu der Gruppe der Portnummern gehört, die
der entsprechenden Kanalart zugewiesen wurden. Danach bedient die
Basisstation die Protokollübersetzung,
die in der Umsetzung des Datenformats, das vom Funkkanal empfangen
wurde, in ein IP-Paket besteht.
Das Feld für
die Ziel-Port-Nummer in dem Header des verkapselten UDP-Pakets wird
auf den Wert der Portnummer gesetzt, die aus dem Speicherort ausgelesen
wurde. Die spezifische Mitteilung des Funkteils, die in dem UDP-Paket
verkapselt ist, enthält
in ihrem Header ein Feld, das einen Identifikator des Endbenutzer-Funkterminals
am Ursprung dieser Daten spezifiziert. Dieser Identifikator in Verbindung mit
der UDP-Portnummer ist in dem Bereich einer vorgegebenen Basisstation
eindeutig.
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An
der Basisstation kann außer
der reinen Protokollübersetzung
die Formung und das Multiplexen mehrerer Datenströme durchgeführt werden.
Als eine Folge kann das UDP-Paket
nicht nur eine für den
Funkteil spezifische Meldung verkapseln, sondern eine Vielzahl von
multiplexierten, für
das Funkteil spezifische Mitteilungen, die zu verschiedenen Benutzern
gehören,
aber auf Funkkanälen,
die die gleiche Kanalart aufweisen, empfangen worden sind beziehungsweise
gesendet werden müssen.
Mehrere multiplexierte, für
den Funkteil spezifische Mitteilungen werden als ein Container bezeichnet.
Die Formung besteht in dem Segmentieren jeder für das Funkteil spezifischen
Mitteilung entsprechend zum Beispiel dem verschiedenen Prioritätslevel,
das der für
das Funkteil spezifischen Mitteilung zugewiesen wurde.