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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ressourcensteuerung
der Dienstgüte (Quality
of Service, QoS) in Telekommunikationssystemen, und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Frequenzbandbreitensteuerung
auf Klassengrundlage für
QoS für
CDMA-Übertragungsschnittstellen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Mit
der fortschreitenden Entwicklung drahtloser Kommunikationssysteme
ist die drahtlose Systemgestaltung in Bezug auf Ausrüstung und
Leistungsanforderungen zunehmend anspruchsvoller geworden. Zukünftige drahtlose
Systeme, die im Vergleich zu den gegenwärtig benutzten Systemen der
ersten, analogen und zweiten, digitalen Generation Systeme der dritten
und vierten Generation (3G und 4G) sein werden, werden qualitativ
hochwertige Datendienste mit hoher Übertragungsrate zusätzlich zu
qualitativ hochwertigen Sprachdienstsystemen bereitstellen müssen. Der
hauptsächliche
Engpass auf dem Weg zur qualitativ hochwertigen Übertragungsrate in 3G-Systemen wird die Übertragungsschnittstellen
als Ressource sein.
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Die
bedeutenderen drahtlosen Standards der dritten Generation haben
Voraussetzungen zum Unterstützen
von Dienstgüte
(Quality of Service, QoS) in die relevanten Spezifikationen aufgenommen.
Beispielsweise spezifiziert das Universal Mobile Telecommunications
System (UMTS), das vom European Technical Standards Institute (ETSI)
und der Japanese Association of Radio Industries and Businesses
(ARIB) entwickelt wurde, vier QoS-Klassen, die zu unterstützen sind.
Diese sind als Conversational-, Streaming-, Interactive- und Background-Klasse
definiert. Das UMTS-System ist im Standard-Dokument 3GPP TS-23.107,
März 2000, veröffentlicht
von ETSI, beschrieben. Andere größere drahtlose
Standards der dritten Generation, wie der Telecommunications Industry
Association/Electronic Industry Association (TIA/EIA) CDMA2000 Standard
und der chinesische TD-SCDMA würden
ebenfalls eine QoS-Unterstützung erfordern.
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Bestehende
QoS-Modelle für
CDMA-Übertragungsschnittstellen
konzentrieren sich darauf, die Anforderungen spezifischer Anwendungen
zu erfüllen.
Typischerweise geben sie QoS-Garantien für Anwendungen wie Sprach- und
Best-Effort-Dienste und Anwendungen wie Paketdaten. Zum Implementieren
von effektiven QoS-Modellen
in 3G-CDMA-Übertragungsschnittstellen
ist es notwendig, Techniken zur Frequenzbandbreitenbereitstellung,
Scheduling, Verkehrsregelung usw. zu entwickeln. Diese Mechanismen
müssen
zum Unterstützen
mobiler Multimediaanwendungen optimiert werden. 3G-Netze werden
eine Vielfalt an Diensten unterstützen, einschließlich einiger
Dienste, die erst in der Zukunft definiert werden. Ein QoS-Modell
für 3G
muss flexibel sein, um das Hinzufügen verschiedener Dienste zu
ermöglichen,
und sollte außerdem
Mittel zur effektiven Verhandlung zwischen einem Dienstanbieter
und dem Endbenutzer bezüglich
abonnierter und bereitgestellter Dienste bereitstellen. Das QoS-Modell sollte auch
dahingehend praktisch sein, dass es eine geringe Komplexität zur Implementierung
und ein niedriges Steuersignalisierungsvolumen aufweist.
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WO
00/16580 offenbart ein Verfahren und System zum Verwalten von Trägereigenschaften
in einem Telekommunikationsnetz, in dem erneute Datenübertragung
zum Ausgleichen von Übertragungsfehlern
genutzt wird.
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WO
98/14020 offenbart Optimierung mittels Zuordnen von Dienstklassen
zu Benutzern in Abhängigkeit
von verfügbarer Übertragungskapazität.
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JP 09312649 offenbart ein
Verfahren zum Bereitstellen konstanter Übertragungsgüte für ein mobiles Kommunikationsendgerät in einem
Kommunikationssystem, in dem die Übertragungsgüte schwankt.
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EP 0986282 offenbart ein
Gerät und
ein Verfahren zur Steuerung der Übertragungsrate
in einem mobilen Kommunikationssystem unter Nutzung von Messungen
der Empfangsqualität,
die durch ein mobiles Endgerät
ausgeführt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Frequenzbandbreitensteuerung auf Klassengrundlage für QoS für Funkübertragungsschnittstellen
vor. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird die für eine bestimmte
Benutzergruppe verfügbare
Kapazität
der Übertragungsschnittstellen
gekennzeichnet und dann in einem Steuerungsalgorithmus auf Klassengrundlage
zum selektiven Anpassen der Übertragungsraten
der Benutzer während
der Zeitrahmen benutzt, in denen ein Datenstau auftreten würde. Das
Verfahren und die Vorrichtung können
entweder an der Uplink- oder der Downlink-Funkübertragungsschnittstelle
genutzt werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden Benutzer einer Übertragungsschnittstelle mindestens einer
QoS-Klasse aus einem
Satz von QoS-Klassen „C" zugeordnet. Die
Klassen können
beispielsweise als Conversational-, Streaming-, Interactive- und
Background-Klasse definiert sein. Jede Klasse „c ∈ C" weist eine Benutzergesamtanzahl „Nc" auf.
Den Klassen „c" ist außerdem jeweils
eine Elastizität „e(c)" zugeordnet, die der
Klasse ein bestimmtes Verzögerungsverhalten
zuweist. Je größer der
Elastizitätswert
ist, desto größer ist die
Verzögerung,
die Benutzer, die eine Klasse abonnieren, erfahren können. Jeder
Benutzer „j" in einer Klasse „c" hat eine abonnierte
Datenübertragungsrate „r0(c, j)" und
eine wirkliche Datenübertragungsrate „r0(c, j, t)" für einen
Zeitrahmen „t". Jeder Benutzer „j" verfügt außerdem über eine
effektive Frequenzbandbreite „R(c,
j, t)" für einen
Zeitrahmen „t".
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Gemäß der Ausführungsform
wird Datenstau für
jeden Zeitrahmen t festgestellt durch Feststellen, ob die verfügbare Frequenzbandbreite
(Kapazität
der Übertragungsschnittstellen)
nicht imstande ist, die effektiven Frequenzbandbreitenanforderungen „R(c, j,
t)" für alle Benutzer „j" aller Klassen „c ∈ C" zu erfüllen, und, wenn
Datenstau festgestellt wird, wird die wirkliche Datenübertragungsrate
für jeden
Benutzer gemäß der Elastizität „e(c)" der Klasse „c", zu der der Benutzer
gehört,
reduziert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer UMTS-Netzarchitektur
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm von QoS-Verwaltungsfunktionen
eines Netzes gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm von
Teilen eines UMTS-Netzes gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das Netz 100 beinhaltet das
UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) 104, das
mobile Endgerät
(MT) 102 und das Kernnetz (CN) 130. UTRAN 104 beinhaltet
mindestens einen Knoten B (node B), der ein Cluster von Zellen ist,
die Übertragung
und Empfang für
den Funkzugang von mobilen Endgeräten mit UTRAN 104 über die Übertragungsschnittstelle 116 bereitstellten.
UTRAN 104 beinhaltet außerdem die Funknetzsteuereinheit
(RNC) 132. RNC 132 ist an das Kernnetz (CN) 130 angeschlossen.
CN 130 kann Zugang zu und Verbindung mit dem Festnetz (PSTN),
einem Internetprotokoll (IP)-Netz oder einem anderen Kommunikationsnetz
für mobile
Endgeräte
bereitstellen, die mit UTRAN 104 über die Übertragungsschnittstelle 116 kommunizieren. 1 stellt
die Frequenzbandbreitensteuerung-Ressourcenverwaltung
(BWS/RM)-Funktion 118 dar, die gemäß der Ausführungsform der Erfindung in
UTRAN 104 implementiert sein kann.
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MT 102 beinhaltet
das mobile Steuergerät 134.
In der Ausführungsform
ist MT 102 ein Dual-Mode GSM/UMTS Endgerät gemäß der 3GPP
Spezifikation und beinhaltet außerdem
eine SIM-Karte (SIM) 136 zum GSM-Gebrauch und eine UMTS-SIM-Karte
(USIM) 138 zum UMTS-Gebrauch. Gemäß der Ausführungsform ist in MT 102 außerdem eine
Frequenzbandbreitensteuerung/Ressourcenverwaltung (BWS/RM)-Funktion 114 implementiert.
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In
der Ausführungsform
ist die Vorrichtung und das Verfahren in dem System von 1 implementiert, um
die Frequenzbandbreitensteuerung der CDMA-Übertragungsschnittstelle 116 für die Dienstgüte (QoS)
zu steuern. Die Funktionen der Ausführungsform werden in BWS/RM 118 und
BWS/RM 114 ausgeführt,
die jeweils RNC 132 bzw. Steuergerät 134 steuern, um
die Frequenzbandbreite gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zu steuern. In der Ausführungsform führt BWS/RM 118 Master-Funktionen
aus, und BWS/RM 114 führt
Slave-Funktionen unter der Steuerung von BWS/RM 118 aus.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist ein Blockdiagramm von
QoS-Verwaltungsfunktionen des Netzes von 1 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. 2 zeigt
Uplink- und Downlink-QoS-Funktionen. Die Uplink-QoS-Funktionen beinhalten eine Klassifizierungsfunktion
(class) 108, einen Verkehrsregler (cond) 112 und
einen Ressourcenverwalter (RM) 130, der Frequenzbandbreitensteuerung/Ressourcenverwalter
(BWS/RM) 114 beinhaltet. Die Downlink-QoS-Funktionen beinhalten
cond-Funktion 120 und RM 132, der BWS/RM 118 beinhaltet.
Class 108 leitet die angemessene QoS-Anforderung aus dem
Header einer Dateneinheit oder den Verkehrs-Charakteristika der Daten ab. Die cond-Funktionen 112 und 120 stellen
die Übereinstimmung
zwischen einem ausgehandelten QoS für einen Dienst und dem Verkehr
der Dateneinheiten bereit. Die Konditionierung des Verkehrs erfolgt
durch Policing oder Shaping des Verkehrs. Die Policing-Funktion vergleicht
den Verkehr der Dateneinheiten mit der relevanten Dienstebenenvereinbarung.
Dateneinheiten, die den relevanten Attributen nicht entsprechen,
werden fallengelassen oder als nicht passend markiert, zum bevorzugten
Fallenlassen im Falle eines Datenstaus. Die Verkehrs-Shaping-Funktion
bildet den Verkehr der Dateneinheiten gemäß der abonnierten Dienstebenenvereinbarung.
Nach Ausführung
der cond-Funktionen 112 und 120 werden
die Dateneinheiten BWS/RM 114 in MT 102 und BWS/RM 116 in
UTRAN 104 angeboten. BWS/RM überträgt sie über die Übertragungsschnittstelle mit
der von dem gemäß der Ausführungsform
beschriebenen Frequenzbandbreitensteuerungsschema zugewiesenen Kapazität.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung sind mobile Endgeräte,
einschließlich
MT 102, QoS-Klassen auf Endgeräte-Basis oder einer Dienstbasis
gemäß den UMTS-QoS-Anforderungen
zugeordnet. In der Ausführungsform
wird die Funkressource, die für
jeden Teilnehmer erforderlich ist, hinsichtlich ihrer effektiven
Frequenzbandbreite gekennzeichnet, die eine Funktion der Übertragungsrate
des Benutzers und ihrer Signal-zu-Interferenz-Verhältnis (SIR)-Anforderung
ist. Es wird adaptive Leistungsregelung zum dynamischen Anpassen
der Übertragungsleistung
jedes Benutzerendgeräts
benutzt, sodass das aktuelle SIR an der Basisstation für diesen
Benutzer gleich seinem erforderlichen SIR ist. Ein derartiges Leistungsregelungsschema
ist gut ausgereifte Technologie und kann gemäß 3GPP-Spezifikationen implementiert
sein. Der Empfänger
an der Basisstation kann ein herkömmlicher Empfänger mit
einzelner Antenne und signalangepasstem Filter oder ein moderner
Empfänger
wie ein Mehrbenutzerempfänger
oder ein „smart
antenna" Mehrantennen-Empfänger sein.
Die exakte Beziehung zwischen der Übertragungsrate und dem erforderlichen
SIR des Benutzers und seine effektive Frequenzbandbreite hängt von
dem Empfänger
ab, der an der Basisstation benutzt wird. Beispielsweise ist in
der Ausführungsform
unter Verwendung eines herkömmlichen
Empfängers
mit einzelner Antenne und signalangepasstem Filter die effektive
Frequenzbandbreite durch das Produkt von Übertragungsrate und SIR-Anforderung
gegeben. Die Kapazität
der Übertragungsschnittstelle
wird dann durch die folgende Ungleichung bestimmt: Summe der effektiven
Frequenzbandbreiten aller Benutzer ≤ β(t)·W·M. Hierbei ist W die Gesamtfrequenzbandbreite
der Übertragungsschnittstelle,
M ist die Anzahl der vom Basisstationsempfänger benutzten Antennen und β(t) ist die
Frequenzbandbreitennutzung der Übertragungsschnittstelle
während eines
Zeitrahmens t.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt,
das Verfahrensschritte gemäß der Ausführungsform
der Erfindung zeigt, die in BWS/RM 114 und BWS/RM 118 ausgeführt werden.
Der Prozess von 3 wird für jeden Zeitrahmen t wiederholt,
während
dem Daten über
die Übertragungsschnittstelle 116 zu übertragen
sind. 3 stellt eine Uplink-Ausführungsform (MT zu UTRAN) dar.
Der Fachmann wird erkennen, dass das Verfahren und die Vorrichtung
ebenfalls auf den Downlink (UTRAN zu MT) in einem Telekommunikationssystem
mit entsprechenden Algorithmusmodifizierungen angewendet sein könnten.
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Der
folgende Vermerk ist zur Beschreibung des in der Ausführungsform
von 3 verwendeten Algorithmus nützlich:
C: Gesamtanzahl
von QoS-Klassen. Es ist zu beachten, dass aufgrund des vorgeschlagenen Frequenzbandbreitensteuerungsschemas
jeder Klasse ein kennzeichnendes Verhalten hinsichtlich Durchsatz
und Verzögerung
zugeordnet sein kann. Es hängt
vom Dienstanbieter ab, eine angemessene Anzahl von Klassen und ihr jeweiliges
Verhalten zu wählen.
In der UMTS-Ausführungsform
von 3 gibt es beispielsweise 4 Klassen zur Unterstützung von
UMTS-QoS-Klassen, nämlich
die Conversational-, Streaming-, Interactive- und Background-Klasse.
Der Frequenzbandbreitensteuerungsalgorithmus, der in dieser Erfindung
vorgeschlagen wird, sieht einen Mechanismus zum Bereitstellen derartiger
Klassen an der Übertragungsschnittstelle
vor.
NC: Gesamtzahl von Benutzern,
die mit Klasse c ∈ C
angemeldet sind.
r0(c, j): Abonnierte
Datenübertragungsrate
von Benutzer j in Klasse c. Es ist zu beachten, dass die Datenratenzuordnung
an einen Benutzer auf regelbasierter Grundlage erfolgen oder durch
Signalisierungsprotokolle wie VoIP-Signalisierung verhandelt werden
kann oder die Datenrate mit Benutzeranwendungen konfiguriert werden
kann.
r(c, j, t): Wirkliche Datenübertragungsrate von Benutzer
j in Klasse c im Zeitrahmen t. Es ist zu beachten, dass aufgrund
der Steuerung, die durch den Frequenzbandbreitensteuerungsalgorithmus
ausgeübt
wird, die aktuelle Übertragungsrate
eines Benutzers in einem gegebenen Zeitrahmen t von der abonnierten
Rate abweichen kann. Die Übertragungsrate
wird durch Ändern
des Spreizfaktors in einem Mehrratensystem mit variablem Spreizfaktor
geändert.
Die Datenübertragungsrate
ist durch r(c, j,
t) = W/S(c, j, t) (1)gegeben,
wobei
S(c, j, t) der Spreizfaktor von Benutzer j in Klasse
c im Zeitrahmen t ist. Dynamische Spreizgewinnkontrolle ist gut
ausgereifte Technologie und kann unter Benutzung von 3GPP-Spezifikationen
implementiert werden.
R(c, j, t): Effektive Frequenzbandbreite
von Benutzer j in Klasse c im Zeitrahmen t. Es ist zu beachten,
dass im Falle des herkömmlichen
Empfängers
mit einzelner Antenne und signalangepasstem Filter die effektive
Frequenzbandbreite durch die folgende Gleichung gegeben ist: R(c, j, t) = r(c, j, t)·SIR(c,
j, t) (2)wobei
SIR(c,
j, t) die SIR-Anforderung von Benutzer j in Klasse c im Zeitrahmen
t ist. Die SIR-Anforderung hängt
von Zielzeitrahmenfehlerrate, Kanalzustand, Modulation, Fehlerkorrekturcodierung
usw. ab. Sie wird durch Außenschleifenleistungssteuerung
angepasst und kann ein zeitvariabler Parameter sein.
e(c): „Elastizität" von Klasse c. Dies
ist der Parameter, der zum Zuordnen eines bestimmten Verzögerungsverhaltens
zu der Klasse benutzt wird. Je größer der Elastizitätswert ist,
desto größer ist
die Verzögerung,
die die Benutzer erfahren, die auf die Klasse abonniert sind. Dieser
Parameter wird zum Ausführen
von Frequenzbandbreitenanpassungen benutzt, wenn es zu Datenstau
an der Übertragungsschnittstelle
kommt. In der Ausführungsform
der Erfindung können
die Elastizitäten
der Klassen derart gewählt
sein, dass sie als Kehrwerte von Vielfachen von 2 ausgedrückt sein
können,
wie 1, ½, ¼ und 1/8.
Dies ist vorteilhaft, weil die Benutzer in verschiedenen Klassen
ihre Übertragungsraten
durch Bruchteile reduzieren, die gleich der Potenz von Elastizitäten ihrer
Klassen sind. Die Übertragungsratenreduzierung
ist über
eine entsprechende Erhöhung
des Spreizfaktors erzielt. Da UMTS eine Spreizverstärkung aufweist,
die ein Vielfaches von 2 ist, ist diese Ausführungsform im Hinblick auf
UMTS praktisch.
I(c, j, t): Anzeigefunktion für die Datenverfügbarkeit
bei Benutzer j in Klasse c im Zeitrahmen t. In jeglichem Zeitrahmen
ist diese Anzeigefunktion gleich 1, wenn dieser Benutzer in diesem
Zeitrahmen Daten zu übertragen
hat, ansonsten ist sie gleich Null.
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Der
Prozess von 3 beginnt bei Schritt 300.
Bei Schritt 302 wird eine Variable red_factor auf 0 eingestellt.
Als nächstes
wird bei Schritt 304 die wirkliche Übertragungsrate r(c, j, t)
für jeden
Benutzer j aller Klassen c auf die abonnierte Übertragungsrate, r0(c,
j), eingestellt.
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Bei
Schritt 306 beginnt der Prozess eine Datenstaufeststellung
für den
Zeitrahmen t. Die Datenstaufeststellung der Ausführungsform wird gemäß der folgenden
Gleichung ausgeführt:
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Die
Datenstaufeststellung wird durch Feststellen, ob die gesamte effektive
Frequenzbandbreite R(c, j, t) für
alle Teilnehmer in allen Klassen, welche Daten im Zeitrahmen t zu übertragen
haben, größer ist
als die verfügbare
Frequenzbandbreite.
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Wenn
bei Schritt 306 festgestellt wird, dass für den Zeitrahmen
t kein Datenstau vorliegt, leitet der Prozess weiter zu Schritt 312 und
endet für
den Zeitrahmen t.
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Wenn
bei Schritt 306 jedoch festgestellt wird, dass für den Zeitrahmen
t Datenstau vorliegt, leitet der Prozess weiter zu Schritt 308.
Bei Schritt 308 wird red_factor auf den laufenden Wert
red_factor + 1 eingestellt. Als nächstes wird bei Schritt 310 die Übertragungsrate
für jeden
Benutzer eingestellt. Die Übertragungsraten werden
gemäß der Ausführungsform
durch Reduzieren der Übertragungsrate
für jeden
Benutzer für
jede Klasse im Zeitrahmen t gemäß der Elastizität der Klasse
c eingestellt, indem r(c, j, t) auf e(c)red_factorr(c,
j, t) eingestellt wird.
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Der
Prozess kehrt zur erneuten Feststellung eines Datenstaus zu Schritt 308 zurück, um festzustellen, ob
nach dem Anpassen der Übertragungsraten
weiterhin ein Datenstau besteht. Der Prozess durchläuft die Schritte 306, 308 und 310,
bis die Datenstaufeststellung feststellt, dass kein Datenstau besteht
und der Prozess bei Schritt 312 endet.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung findet Anwendung auf
jegliche CDMA-Übertragungsschnittstelle,
die QoS für
mehrere Benutzer vorsieht.
