DE60118673T2

DE60118673T2 - System und Methode zur Bewahrung der Bandbreite bei der Übertragung von Nachrichtenpaketen

Info

Publication number: DE60118673T2
Application number: DE60118673T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Canandaigua Kroon
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: US6826152B1; EP1189397A3; IL145088A0; CA2356472A1; IL145088A; EP1189397A2; ATE323357T1; EP1189397B1; DE60118673D1

Description

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, in einem Paketvermittlungsnetzwerk Bandbreite einzusparen und den Nachrichtendurchsatz zu erhöhen.
In herkömmlichen Paketvermittlungsnetzwerken sind die zu versendenden Daten in individuelle Datenpakete aufgeteilt, was einen Prozess der Segmentierung oder Unterteilung größerer Datensätze mit sich bringt, wie sie durch das der Sendeeinrichtung eigene Protokoll spezifiziert sind. Jedes Paket beinhaltet typischerweise einen Datenkopf, Nutzdaten und einen Nachspann. Der Datenkopf enthält die Steuerinformationen, wie z.B. die Sende- und Empfangsadressen, Sequenznummern, Synchronisationsbits und die Länge des Pakets. Die Nutzdaten sind die zu sendenden Daten. Der Nachspann enthält im allgemeinen Fehlererkennungs- und Korrekturbits.
Jedes Paket weist eine Identifikationsnummer auf und jedes Paket trägt seine eigene Empfangsstationsadresse. Jedes Paket ist unabhängig, da mehrere Pakete in einem Strom von Paketen das Netzwerk von der Sendestation zur Empfangsstation oft auf verschiedenen Wegen durchqueren. Da die Pakete verschiedenen physikalischen Pfaden unterschiedlicher Längen folgen können, können sie verschiedene Werte von Signallaufzeiten, bekannt als Latenzzeit, erfahren. Demzufolge können die Pakete in einer anderen Reihenfolge ankommen, als sie an das Netzwerk weitergereicht wurden. Die Paketsequenznummer erlaubt der Empfangsstation, die Paketdaten in der richtigen Reihenfolge wieder zusammenzusetzen, bevor diese an die endgültige Zielanwendung weitergereicht werden.
Paketvermittlung wurde ursprünglich entwickelt, um interaktive Kommunikation zwischen Asynchronrechnern für Teilzelt-(engl. „time-share")-Anwendungen zu unterstützen, was unterschiedliche Latenzzeitwerte erlaubt und hohe Effizienzwerte für die Digitaldatenvernetzung einbringt. Isochrone Daten wie Sprache und Video in Echtzeit sind andererseits datenstromorientiert und hoch intolerant gegenüber Latenz. Infolgedessen wurde von Paketvermittlungsnetzwerken ursprünglich angenommen, dass diese für solche Anwendungen ungeeignet seien. Jüngere Entwicklungen nachrichtentechnischer Software und komplexer Komprimierungsalgorithmen haben die Geeignetheit von Pa ketvermittlung für derartige Echtzeitanwendungen erhöht. Das weitest verwendete öffentliche Paketvermittlungsnetzwerk ist das Internet.
Das Übertragungssteuerungsprotokoll (engl. Transmission Control Protocol TCP) und das Internetprotokoll (engl. Internet Protocol IP) sind die vollständigsten und meist akzeptierten Netzwerkprotokolle für ein Paketvermittlungsnetzwerk. Vor der Übertragung von Daten ist TCP dafür verantwortlich, die Nachricht in Pakete aufzulösen, die eine geeignete Größe für das Netzwerk aufweisen. TCP kennzeichnet die Pakete mit den Sequenznummern, die der Empfangsstation erlauben, die Pakete wieder richtig in die Originalnachricht zusammenzusetzen. TCP prüft auch die Korrektheit der übertragenen Daten durch die Verwendung von Prüfsummen, einer einfacheren mathematischen Rechnung, welche auf die im Paket enthaltenen Daten angewendet wird. Die Empfangsstation wendet die gleiche Rechnung auf die empfangenen Daten an und vergleicht das Ergebnis mit der Prüfsumme, die mit dem Paket übermittelt wurde. Wenn die Ergebnisse übereinstimmen, sendet die Empfangsstation eine Bestätigungsnachricht an die Sendestation. Wenn die Empfangsstation keine TCP Bestätigungsnachricht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne empfängt, sendet die Sendestation das unbestätigte Paket erneut, und dieser Prozess wird wiederholt, bis der Empfang bestätigt ist, wodurch eine erfolgreiche Kommunikation sichergestellt wird. Verzögerungen der Bestätigungsnachricht beim Erreichen der Sendestation können unnötige wiederholte Übertragungen von Nachrichtenpaketen verursachen, die zuvor erfolgreich übertragen worden sind.
IP ist das Nachrichtenprotokoll, welches grundsätzlich die Pakete adressiert und sendet. IP versucht jedes Paket abzuliefern, aber hat keine Vorkehrung zur wiederholten Übertragung von verlorenen oder beschädigten Paketen. IP überlässt eine derartige Fehlerkorrektur, wenn diese benötigt wird, übergeordneten Protokollen wie TCP. Zusammengenommen ist TCP/IP das meist akzeptierte Netzwerkprotokoll. Praktisch bieten alle modernen Betriebssysteme TCP/IP Unterstützung kann, und die meisten großen Netzwerke sind für ihren ganzen Netzwerkverkehr auf TCP/IP angewiesen.
TCP/IP ist nun, obwohl ursprünglich für drahtgebundene Netzwerke entwickelt, auch als das erwünschte Protokoll für drahtlose Netzwerke anerkannt worden. Jedoch hält die drahtlose Umgebung zusätzliche Belange bereit, wie reduzierte Bandbreite, höhere Betriebskosten, die mit den Funkübertragungen verbunden sind, und die Halbduplexnatur von einigen drahtlosen Systemen. Infolgedessen können herkömmliche Verfahren des Nachrichtenmanagements, die für drahtgebundene Netzwerke verwendet worden sind, für drahtlose Schaltungen nicht ausreichen.
Zum Beispiel sind in drahtgebundenen Systemen Zusammenfassungsverfahren verwendet worden, um Bandbreite zu sparen. Diese herkömmlichen Techniken sind auch auf drahtlose Systeme angewendet worden. In einem drahtlosen System hat jede Station wenigstens eine damit verbundene Funkeinrichtung, um Nachrichtenpakete von Station zu Station zu übertragen. Ein herkömmliches Zusammenfassungsverfahren ist, alle an die gleiche Empfangsstation adressierten Pakete als eine einzige zusammengefasste Gruppe zu senden. Die Empfangsstation trennt die Pakete dann und baut die Nachricht unter der Verwendung herkömmlicher TCP Verfahren wieder zusammen. Jedoch können durch die Zusammenfassung der Nachrichtenpakete in Abhängigkeit der endgültigen Empfangsstation mehrfache Übertragungen an eine Funkeinrichtung, die von mehreren Empfangsstationen gemeinsam genutzt wird, erforderlich sein. Daher nutzen herkömmliche Zusammenfassungsverfahren nicht den Vorteil der Tatsache aus, dass einige Empfangsstationen eine gemeinsame Funkeinrichtung verwenden und einen höheren Grad der Zusammenfassung und einen erhöhten Nachrichtendurchsatz erlauben würden.
Das U.S. Patent No. 5,502,726 von Fischer zum Beispiel ist auf ein serielles geschichtetes medizinisches Netzwerk gerichtet, welches virtuelle Dienste auf der Anwendungs- oder Darstellungsebene erlaubt, um mit anderen virtuellen Diensten ohne Rücksicht auf ihre physikalische Verbindung zu kommunizieren. Das Referenzdokument offenbart ein verbindungsorientiertes Netzwerk, durch das nach dem Herstellen einer (Verbindungs-) Sitzung zwischen Schnittstellen (engl. Gateways) virtuelle Dienste an den Schnittstellenknoten und der Arbeitsstation (engl. Workstation) miteinander kommunizieren können. Im System von Fischer baut ein Schnittstellengerät (PNA-200) mehrere Pakete von einer Quelle (typischerweise ein medizinisches Gerät, welches den Fortschritt eines Patienten kontinuierlich überwachen kann) in ein größeres Paket zusammen und leitet das Paket zu einem Netzknoten weiter. Der Netzknoten leitet das Paket zu einem zweiten Netzknoten weiter, von dem aus die verschiedenen Pakete an ihre bestimmten Zieladressen weiter verteilt werden. Auf diese Weise kann eine Überwachungseinrichtung Daten an verschiedene Empfänger gleichzeitig übertragen, solange die Empfänger mit einem gemeinsamen Netzknoten verbunden sind.
Die Komprimierung von Nachrichten vor der Übertragung ist ein anderer üblicher Weg, um die vorhandene Bandbreite, und so Übertragungszeit und Kapazität zu erhalten. Typischerweise werden alle Nachrichtenpakete vor der Übertragung komprimiert, um die Größe jedes einzelnen Nachrichtenpakets zu reduzieren. Jedoch kann die Komprimierung nicht zu einem kleineren Nachrichtenpaket führen.
Einige Nachrichtenpakete sind wegen der Natur der enthaltenen Daten, das heißt etwa JPEG und Videodateien, nicht gut zur Komprimierung geeignet und werden nach der Komprimierung tatsächlich größer. Daher kann die Komprimierung aller Pakete auf die Erhöhung der für einige Nachrichten erforderlichen Bandbreite hinauslaufen.
Weiterhin sind die Funkeinrichtungen in einer herkömmlichen TCP/IP Umgebung nicht dazu in der Lage, eine von einer Empfangsstation erhaltene Bestätigungsnachricht zu erkennen. Zum Beispiel sendet eine Sendestation eine erneut zu übertragende Nachricht an ihre verbundene Funkeinrichtung zur erneuten Übertragung, wenn sie eine Bestätigungsnachricht von der Empfangsstation nicht in einer vorbestimmten Zeitspanne erhält. Selbst wenn die Funkeinrichtung eine Bestätigungsnachricht des erfolgreich übertragenen Pakets erhält, wird die Funkeinrichtung das Paket wegen der Unfähigkeit der Funkeinrichtung, die Bestätigungsnachricht zu erkennen, unnötigerweise erneut übertragen. Außerdem gibt es, sobald die erneut zu übersendende TCP Nachricht von der Sendestation zur Sendefunkeinrichtung übertragen worden ist, sollte die Sendestation die Bestätigungsnachricht später als erwartet, aber vor der erneuten Übertragung durch die Sendefunkeinrichtung empfangen, keinen Mechanismus, um zu verhindern, dass die Funkeinrichtung das Paket erneut überträgt.
In einem herkömmlichen Kommunikationsnetzwerk werden Nachrichten im Allgemeinen in Abhängigkeit der Priorität der Nachricht übertragen. Allgemein werden Nachrichten mit hoher Priorität vor Nachrichten mit niedrigerer Priorität übertragen; dabei ist es das Ziel, die Anzahl von Nachrichten, die in der Reihenfolge der Priorität übertragen werden, zu maximieren. Infolgedessen können Nachrichten mit niedrigerer Priorität „verfallen" oder ihre „Lebensdauer" vor der Übertragung überschreiten, so dass dadurch, dass Nachrichten mit höherer Priorität versendet werden können, ein Verlust von Nachrichten verursacht werden kann.
Ein Kommunikationsnetzwerk, welches ausschließlich in Abhängigkeit des Vorrangs der Nachrichten („Stoß"-Übertragungsverfahren, engl. "push" transmission method) überträgt, führt zu übermäßiger „Leerlauf"-zeit für das Netzwerk und reduziert den Nachrichtendurchsatz im System. In einem „Stoß"-Kommunikationssystem überträgt die Sendefunkeinrichtung, sobald eine Nachricht mit hoher Priorität ausgewählt ist, die ausgewählte Nachricht, bevor die Nachricht mit der nächst höheren Priorität zur Übertragung ausgewählt wird. Wenn die Empfangsfunkeinrichtung nicht in der Lage ist, die ausgewählte Nachricht zu empfangen, wartet die Sendefunkeinrichtung im Leerlauf, bis die Empfangsfunkeinrichtung verfügbar wird. Diese Leerlaufzeit reduziert den Nachrichtendurchsatz des Systems und trägt zum Verfall von Nachrichten mit niedrigerer Priorität vor deren Übertragung bei.
In einigen Kommunikationssystemen kann die Leerlaufzeit die Berücksichtigung von Nachrichten höherer Priorität verhindern, die hätten empfangen werden können, während darauf gewartet wird, dass die Empfangsfunkeinrichtung verfügbar wird. Andere Kommunikationssysteme brechen die Übertragung einer Nachricht ab, wenn eine Nachricht höherer Priorität von der Sendestation für die Übertragung erhalten wird, was weitere zeitliche Verzögerungen hinzufügt und so den Nachrichtendurchsatz vermindert.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung einiger der zuvor identifizierten Probleme gerichtet, indem der Nachrichtendurchsatz oder die Kapazität eines Systems erhöht wird, während die Bandbreite und die Übertragungszeit erhalten bleibt. In einer Hinsicht berücksichtigt der Prioritätsmanager der Anmelderin nicht nur die Priorität von Nachrichten, die zu senden sind, sondern auch die Lebensdauer jeder Nachricht, ob die Nachricht aus Sprache oder Daten besteht, und die Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtung für den Empfang.
In einer weiteren Hinsicht fasst der Zusammenfassungsmanager der Anmelderin Pakete zusammen, die an die gleiche Empfangsfunkeinrichtung gerichtet sind, ohne Rücksicht auf die Empfangsstation dieser Nachricht, wodurch der Prozentsatz der Zusammenfassung vergrößert wird.
In einer weiteren Hinsicht berücksichtigt der Zusammenfassungsmanager auch, ob die Komprimierung die Größe der zusammengefassten Gruppe reduzieren oder vergrößern wird, und umgeht dem Komprimierungsalgorithmus, wenn keine ausreichende Reduktion der Bandbreite erreicht wird.
In noch einer weiteren Hinsicht reduziert der TCP Filter der Anmelderin unnötige erneute Übertragungen durch Reduktion der Verzögerungen, die mit der Erkennung eines bestätigten Pakets verbunden sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine neues Verfahren und System zur Zusammenfassung von Nachrichtenpaketen in einem Funknetzwerk zur Verfügung zu stellen, wodurch der Nachrichtendurchsatz des Netzwerks erhöht wird, und ein neues Verfahren und System zur Übertragung von Nachrichtenpaketen in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtung zur Verfügung zu stellen, sowie zur Priorisierung der Übertragung von Nachrichten in Abhängigkeit der Dringlichkeit der Nachrichtenpakete.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erhalten von Bandbreite beim Senden mehrerer Nachrichtenpakete über ein Funknetzwerk, wobei jede Funkeinrichtung durch eine Funknetzwerkadresse definiert ist, und wobei jedes Nachrichtenpaket an eine Empfangsstation adressiert ist, die Schritte umfassend:

a) Bestimmen der eindeutigen Funknetzwerkadresse der Funkeinrichtung, welche der Empfangsstation zugeordnet ist für jedes Nachrichtenpaket;
b) Zusammenfassung mehrerer Nachrichtenpakete, die an eine gemeinsame Funknetzwerkadresse gerichtet sind, in eine zusammengefasste Gruppe;
c) Rahmen (engl. frame) der zusammengefassten Gruppe;
d) Übertragung der zusammengefassten Gruppe über das Funknetzwerk an die gemeinsame Funknetzwerkadresse;
e) Empfangen und Wiederaufbereiten der zusammengefassten Gruppe in einzelne Nachrichtenpakete;
f) Zustellen der einzelnen Nachrichtenpakete an ihre jeweiligen Empfangsstationen, wobei mehrere Nachrichtenpakete bevorzugt als zusammengefasste Gruppe übertragen werden, denn als einzelne Nachrichtenpakete, und wobei die Intermediär-Funknetzwerkadresse priorisiert wird durch das Führen eines Verfügbarkeitsstatus' und die Ordnung der Reihenfolge der Funkadressen.

Die Erfindung beinhaltet auch ein System zum Erhalten von Bandbreite in einem Kommunikationsnetzwerk, wobei Nachrichtenpakete zu einer Empfangsstation übertragen werden, und jede Empfangsstation wenigstens eine Empfangsfunkeinrichtung beinhaltet, und wobei Empfangsstationen eine gemeinsame Empfangsfunkeinrichtungen teilen können, umfassend:
Mittel zum Bestimmen der eindeutigen Funknetzwerkadresse der Empfangsfunkeinrichtung, welche der Empfangsstation zugeordnet ist, für jedes Nachrichtenpaket;
Mittel zur Zusammenfassung mehrerer Nachrichtenpakete, die an eine gemeinsame Funknetzwerkadresse gerichtet sind, in eine zusammengefasste Gruppe;
Mittel zur Übertragung der zusammengefassten Gruppe über das Funknetzwerk an die gemeinsame Funknetzwerkadresse;
Mittel zum Empfangen und Wiederaufbereiten der zusammengefassten Gruppe in einzelne Nachrichtenpakete für die Zustellung an ihre jeweiligen Empfangsstationen;
Mittel zum Priorisieren der Intermediär-Funknetzwerkadresse durch das Führen eines Verfügbarkeitsstatus' und die Ordnung der Reihenfolge der Intermediär-Funkadressen,
um dadurch mehrere Nachrichtenpakete eher als zusammengefasste Gruppe zu übertragen, denn als einzelne Nachrichtenpakete.
Die Erfindung wird nun mittels eines Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung der Elemente eines Telekommunikationssystems auf hoher Ebene ist.
2 eine schematische Darstellung der Elemente einer Station und einer Funkeinrichtung aus 1 auf hoher Ebene ist.
3 eine schematische Darstellung der Elemente eines Telekommunikationssystems auf hoher Ebene ist.
4 eine grafische Darstellung der Nachrichtenwarteschlange und der Funkeinrichtungswarteschlange aus 2 ist.
1 illustriert ein herkömmliches Kommunikationsnetzwerk zur Übertragung von Nachrichtenpaketen gemäß der Verfahren der vorliegenden Erfindung. Die Funkeinrichtungen 200 des in 1 illustrierten Typs werden als kleine lokale Netwerke (engl. mini LANS) über die drahtlosen Medien betrieben. Die Funkeinrichtungen 200 können eine Vielzahl von Subnetzen umfassen und sind in der Lage, Daten und Sprache zu übertragen und zu empfangen. Jede der Funkeinrichtungen des Subnetzes ist über einen Ethernet-link 110 mit Stationen 100 verbunden, um die Daten zu steuern. Eine Vielzahl von Funkeinrichtungen 200 kann auch über einen Ethernet-link 110 verbunden sein und kann mit einem Router verbunden sein, der Zugang zu Stationen 100 und einer festen Netzwerk-Hauptleitung (engl. backbone) zur Verfügung stellt.
Das Kommunikationssystem der 1 kann die industriellen Standardprotokolle, wie Internet Protocol (IP) oder User Datagram Protocol (UDP) (dt. Benutzer-Datagramm-Protokoll) zur Kommunikation zwischen Funkeinrichtungen und Stationen verwenden.
Die gesamte Schnittstellensoftware kann in den Funkeinrichtungen 200 angesiedelt sein, außer der Software, die dazu verwendet wird, die Funkeinrichtungen zu konfigurieren. Jede der Funkeinrichtungen kann durch Herunterladen von Software konfiguriert werden, um Betriebsparameter, wie Subnetz-Angehörigkeit und Subnetz-Parameter zu definieren und zu konfigurieren.
Die Subnetz-Angehörigkeit kreiert ein Subnetz, benennt Funkeinrichtungen, weist benannten Funkeinrichtungen dem Subnetz zu und stellt eine eindeutige Funknetzwerkadresse oder eine Subnetz-Adresse für jede Funkeinrichtung zur Verfügung. Die Subnetz-Parameter konfigurieren die Betriebsparameter jeden Subnetzes.
Unter Bezugnahme auf 2 kann eine Station 100 im Netzwerk der 1 ein handelsüblicher Computer sein, ein Laptop oder ein anderes Gerät, welches in der Lage ist, Standard-Kommunikationsdateien und -protokolle auszuführen, einschließlich Elektronischer Post (E-Mail) 101, File Transfer (dt. Dateiübertragung) 102, Simple Mail Transfer File (SMTF) (dt. Transferdatei für einfache Post) 103, Post Office Protocol (POP) (dt. Postamtsprotokoll) 104, File transfer Protocol (FTP) (dt. Dateiübertragungsprotokoll) 105, Transmission Control Protocol (TCP) 106, User Datagram Protokoll (UDP) 107 und Internet Protocol (IP) 108.
Eine Station 100 kann mit einer Funkeinrichtung 200 in dem Netzwerk von 1 über eine Ethernet-Verbindung 110 verbunden sein oder mit der Funkeinrichtung 200 über die IP Schaltung 203 zu kommunizieren. Die IP Schaltung 203 leitet die Nachrichtenpakete zu dem TCP Filter 204. Der TCP Filter 204 vergleicht die empfangene Nachricht mit den Nachrichten in der Nachrichtenwarteschlange 205 und verwirft die empfangene Nachricht, wenn sie ein Duplikat einer Nachricht ist, die in der Warteschlange gespeichert ist. Nachrichtenpakete aus dem TCP Filter 204 werden in der Nachrichten Warteschlange 205 gespeichert.
Anwendungen zur Nachrichtenübermittlung 202, wie die globalen Positionierungssatelliten (engl. Global Positioning Satellite; GPS), Nachrichtenübermittlung und Schnittstellennachrichtenübermittlung können auch mit der Nachrichtenwarteschlange 205 zum Einsatz kommen.
Die Funkeinrichtungswarteschlange 208 führt eine Liste der Empfangsfunkeinrichtungen, die mit den Nachrichten in der Nachrichtenwarteschlange im Zusammenhang stehen. Der Prioritätsmanager 206 ist dafür verantwortlich, die Reihenfolge der Nachrichtenpakete in der Nachrichtenwarteschlange 205 zu ordnen, wobei eine Datenbank des Verfügbarkeitsstatus' aller Funkeinrichtungen in dem Netzwerk oder Subnetz geführt wird, welche die Reihenfolge der Empfangsfunkeinrichtungsadressen in der Funkeinrichtungswarteschlange 208 ordnet, und eine verfügbare Empfangsfunkeinrichtung zur Übertragung auswählt.
Der Paketzusammenfasser 207 fast einzelne Nachrichtenpakete, die an die gleiche Empfangsfunkeinrichtungen gerichtet sind, in einer zusammengefasste Gruppe zusammen. Der Paketzusammenfasser 207 kann dann die zusammengefasste Gruppe komprimieren und verschlüsseln.
Die zur Übertragung ausgewählte Empfangsstation wird von dem Prioritätsmanager 206 zum Kanalzugang 209 weitergeleitet. Das Kanalzugangsmodule 209 kann verschiedene herkömmliche Verfahren verwenden, um der Funkeinrichtung 200 einen Übertragungskanal zur Verfügung zu stellen.
Der Kanalzugang 209 adressiert die Datentreiber 220 und das intelligente Modem 222. Die zusammengesetzte Gruppe wird dann zu den Datentreiber 220 und dem intelligenten Modem 222 zur Übertragung an die ausgewählten Empfangsfunkeinrichtungen gesendet.
Unter Bezugnahme auf 3 kann eine Station 100 in dem Netzwerk von 1 mit einer oder mehreren Funkeinrichtungen 200 durch das Ethernet verbunden werden und eine Funkeinrichtung kann mit einer oder mehreren Stationen durch das Ethernet verbunden werden. Zum Beispiel kann eine Funkeinrichtung 201 mit zwei Stationen 120 und 130 durch eine Ethernet-Verbindung 110 verbunden werden. Jeder Funkeinrichtung und jeder Station kann eine eindeutige Adresse zum Zwecke der Übertragung von Nachrichtenpaketen innerhalb des Kommunikationsnetzwerks zugeordnet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine herkömmliche IP-Subnetz Maskierung verwendet, um die Datenpakete in dem System zu leiten. Einer Station kann eine IP-Adresse zugeordnet werden, während einzelnen Anwendungen innerhalb einer Station ein verbundener IP-Port zugeordnet werden kann. In ähnlicher Weise kann einer Funkeinrichtung eine IP-Adresse zugewiesen werden, oder sie kann anhand einer eindeutigen physikalischen Adresse identifiziert werden (Subnetz 2, Funkeinrichtung 3). Zum Beispiel können die niedrigsten drei IP-Adressenziffern der Empfangsstation für die eindeutige Funknetzwerkadresse oder Funk-Subnetz-Adresse der Empfangsfunkeinrichtung verwendet werden.
Im Betrieb kann eine Station ein Nachrichtenpaket zu jeder beliebigen anderen Station durch die mit ihr verbundene Funkeinrichtung senden. Zum Beispiel kann eine Sendestation 100, wenn das Kommunikationsnetzwerk von 3 unter der Verwendung von TCP als dem zuverlässigen Transportprotokoll betrieben wird, ein TCP/IP Nachrichtenpaket zur Übertragung an eine Empfangsstation 120 durch die mit der Sendestation verbundene Sendefunkeinrichtung 200 senden. Die Sendefunkeinrichtung 200 überträgt das Nachrichtenpaket zur Empfangsfunkeinrichtung 201, die mit der Empfangsstation 120 verbunden ist. Nach Empfang des Nachrichtenpakets übermittelt die Empfangsfunkeinrichtung 201 das Nachrichtenpaket zu der Empfangsstation 120 durch die E thernet-Verbindung 110 oder andere derartige herkömmliche Mittel. Sobald die Empfangsstation 120 das Nachrichtenpaket empfängt, sendet sie eine TCP/IP Bestätigungsnachricht an die Empfangsfunkeinrichtung 201 zur Übertragung an die Sendestation 100 durch die verbundene Sendefunkeinrichtung 200. Wenn die Sendestation 100 die TCP Bestätigung nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne empfängt, sendet die Sendestation 100 eine erneut zu übertragende TCP Nachricht an die Sendefunkeinrichtung 200 zur erneuten Übertragung des Nachrichtenpakets an die Empfangsstation 120.
Die Kommunikationssystemarchitektur der vorliegenden Erfindung ist dazu ausgestaltet, die Kapazität über die Paketzusammenfassung, Komprimierung, TCP Nachrichtenfilterung und Techniken zur Priorisierung der Nachrichten zu maximieren. Außerdem reduziert die Architektur die Kosten, die mit der unnötigen Umtastung der Funkeinrichtungen verbunden sind, und minimiert die elektronische Grundfläche durch Reduzierung der Anzahl und Länge von Übertragungen, die nötig sind, um die IP-Pakete zu übertragen.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Anzahl von einzigartigen Verfahren, um den Nachrichtendurchsatz des Kommunikationssystems zu erhöhen, während zur gleichen Zeit die Anzahl von Übertragungen, die nötig ist, um dieselbe Anzahl von Nachrichtenpaketen in einem gewöhnlichen Kommunikationssystemen zuzustellen, reduziert wird. Der Nachrichtendurchsatz wird durch die Verwendung eines Prioritätsmanagers erhöht, welcher die Zustellung von Nachrichten innerhalb ihrer Lebensdauer maximiert und die Leerlaufzeit, in welcher auf eine verfügbare Empfangsfunkeinrichtung gewartet wird, reduziert. Die Anzahl von Übertragungen wird durch einen neuartigen Nachrichtenzusammensteller und durch die Verwendung eines neuartigen TCP Filters reduziert, welcher unnötige erneute Übertragungen eliminiert.
Die Systeme und Verfahren, die hier offenbart werden, sind sowohl auf Nachrichtenübertragungen über den freien Raum, das heißt Funk, Mikrowellen, Satelliten, drahtlose LANs, Mobilfunk und optische, als auch drahtgebundene Nachrichtenübertragungen anwendbar, obwohl die Vorteile der Erfindung der Anmelderin für drahtlose Anwendun gen vorteilhafter sein können, bei denen das Einsparen von Bandbreite von signifikantem Interesse ist.
Unter Bezugnahme auf 2 maximiert der Prioritätsmanager 206 die Anzahl von Nachrichtenpaketen, die vor dem Verfall zugestellt werden, indem die Nachrichten in der Nachrichtenwarteschlange in Abhängigkeit der Lebensdauer einer Nachricht geordnet werden, und durch Übertragung der Nachricht in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtungen für den Empfang.
Jedes Nachrichtenpaket ist mit einer Lebensdauer verknüpft und einer Priorität (die typischerweise durch den Verfasser der Nachricht zugewiesenen wird) und ebenso mit einem Referenzzeitstempel, der mit dem Empfang der Nachricht in der Nachrichtenwarteschlange 205 korrespondiert.
Der Prioritätsmanager 206 weist jeder Nachricht eine Dringlichkeit in Abhängigkeit der Lebensdauer und Priorität der Nachricht zu, wobei die Referenzzeit und die aktuelle Zeit berücksichtigt werden. Die Nachrichtpakete werden dann in der Nachrichtenwarteschlange in Abhängigkeit der Dringlichkeit angeordnet, wobei die dringlichste Nachricht als höchste eingeordnet wird.
Jedes Nachrichtenpaket in der Nachrichtenwarteschlange 205 ist an eine Empfangsstation adressiert, und jede Empfangsstation hat eine oder mehrere Empfangsfunkeinrichtungen, um die übertragene Nachricht zu empfangen. Der Prioritätsmanager führt eine Funkeinrichtungswarteschlange 208 der Adressen der Empfangsfunkeinrichtungen, die mit den Nachrichtenpaketen in der Nachrichtenwarteschlange 205 verknüpft sind. Die Liste von Funkadressen in der Funkeinrichtungswarteschlange 208 werden in Abhängigkeit der Dringlichkeit der Nachrichtenpakete, die an jede einzelne Funkeinrichtung gerichtet sind, eingeordnet, wobei die am höchsten eingeordnete Funkeinrichtung mit der dringlichsten Nachricht korrespondiert.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eher ein „Zug"-(engl. "Pull")-, denn ein „Stoß"-(engl. "Push")-Übertragungsverfahren, um den Durchsatz der Nachrichtenpakete, die in dem Netzwerk übertragen werden, zu maximieren, das heißt, eine Sendefunkeinrichtung überträgt Nachrichtenpakete in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtung der Nachrichtenpakete. Wenn eine Empfangsfunkeinrichtung des am höchsten eingeordneten Nachrichtenpakets nicht verfügbar ist, wird die nächst höchst eingeordnete verfügbare Empfangsfunkeinrichtung ausgewählt und die mit ihr korrespondierenden Nachrichtenpakete werden übertragen. Folglich können die übertragenen Nachrichtenpakete niedriger eingeordnet werden als einige der Nachrichten, die in der Warteschlange verbleiben.
Der Prioritätsmanager überwacht den Status aller Empfangsfunkeinrichtungen in dem Kommunikationsnetzwerk oder Subnetzwerk und führt den Verfügbarkeitsstatus jeder Funkeinrichtung in einer Datenbank. Der Prioritätsmanager wählt dann die am höchsten eingeordnete Empfangsfunkeinrichtung aus der Funkeinrichtungswarteschlange 208 aus, welche als verfügbar in der Datenbank des Prioritätsmanagers identifiziert wird, und überträgt alle Nachrichtenpakete, die an die ausgewählte Empfangsfunkeinrichtung gerichtet sind.
Nach jeder Übertragung aktualisiert der Prioritätsmanager 206 die Nachrichtenwarteschlange 205, um die verbleibende Lebensdauer jedes Nachrichtenpakets auszuweisen und ordnet die Reihenfolge der Nachrichtenpakete, die in der Nachrichtenwartenschlange 205 verbleiben, neu an, und ordnet die Empfangsfunkeinrichtungen, die in der Funkeinrichtungswarteschlange 208 verbleiben, neu an.
Der Prioritätsmanager beseitigt den Zeitverlust, indem auf eine höher in der Funkeinrichtungswarteschlange eingeordnete, zuvor nicht verfügbare Empfangsfunkeinrichtung umgeschaltet wird, die verfügbar wird, nachdem eine Funkeinrichtung, die niedriger in der Warteschlange eingeordnet ist, zur Übertragung ausgewählt wurde. Sobald eine Empfangsfunkeinrichtung ausgewählt wurde, werden die Nachrichten für die ausgewählte Funkeinrichtung übertragen ohne Rücksicht auf den Verfügbarkeitsstatus der verbleibenden Funkeinrichtungen in der Funkeinrichtungswarteschlange. Die Entscheidung, die Übertragung an die niedriger eingeordnete Funkeinrichtung nicht abzubrechen, führt zur Eliminierung des Zeitverlusts, welcher mit dem Schalten von einer ver fügbaren Funkeinrichtungsstation auf eine höher eingeordnete Funkeinrichtungsstation, die verfügbar geworden ist, verbunden ist.
Der Betrieb des Prioritätsmanagers 206 kann unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben werden. Die Nachrichten in der Nachrichtenwarteschlangen 205 werden in der Reihenfolge der Dringlichkeit geführt. Wie in 4 gezeigt, ist ein Nachrichtenpaket A zum Beispiel an eine Funkeinrichtung 201 gerichtet, weist eine Priorität von 10 (hoch) auf, eine Lebensdauer von zehn Sekunden und ist eingeordnet als die höchste Dringlichkeit in der Nachrichtenwarteschlange 205 aufweisend. Nachrichtenpaket B ist an die Funkeinrichtung 202 oder 203 gerichtet, weist eine Priorität von 2 (niedrig) auf und eine Lebensdauer von 60 Sekunden, und ist eingeordnet als zweite im Bezug auf die Dringlichkeit in der Nachrichtenwarteschlange 205 eingeordnet. Nachrichtenpaket C ist an die Funkeinrichtung 205 gerichtet, weist eine Priorität von 2 auf, eine Lebensdauer von 90 Sekunden und ist als dritte im Bezug auf die Dringlichkeit eingeordnet. Nachrichtenpakete D ist an die Funkeinrichtung 202 oder 203 gerichtet, weist eine Priorität von 7 auf, eine Lebensdauer von 90 Sekunden und ist als vierte im Bezug auf die Dringlichkeit eingeordnet. Nachricht E ist an die Funkeinrichtung 201 gerichtet, weist eine Priorität von 10 auf, eine Lebensdauer von 90 Sekunden und ist als fünfte im Bezug auf die Dringlichkeit eingeordnet.
Der Prioritätsmanager 206 führt eine Liste von Empfangsfunkeinrichtungen für die Nachrichtenpakete A-E in der Funkeinrichtungswarteschlange 208. Die Funkeinrichtungswarteschlange 208 ordnet die Funkeinrichtungen, die mit den Nachrichten A-E verknüpft sind, in der Nachrichtenwarteschlange 205 in Abhängigkeit der Dringlichkeit der Nachrichten A-E. Zum Beispiel ist die Funkeinrichtung 201 die Empfangsfunkeinrichtung von Nachricht A und wird deswegen als erste in die Funkeinrichtungswarteschlange eingeordnet (obwohl Nachricht E, die auch an die Funkeinrichtung 201 gerichtet ist, als letzte eingeordnet ist). Die Funkeinrichtungen 202 und 203 sind die Empfangsfunkeinrichtungen der Nachrichten B und D und sind als zweite und dritte in der Warteschlange eingeordnet. (In diesem Beispiel ist die jeweilige Reihenfolge der Funkeinrichtungen 202 und 203 nicht erheblich, weil beide Funkeinrichtungen mit der als zweiten eingeordneten Nachricht B verknüpft sind). Die Funkeinrichtung 205 ist die Empfangsfunkeinrichtung von Nachricht C und ist als vierte in die Funkeinrichtungswarteschlange eingeordnet.
Der Prioritätsmanager 206 führt eine Datenbank der Verfügbarkeitsstatus der Funkeinrichtungen 201, 202, 203 und 205. Wenn der Prioritätsmanager ermittelt, dass die Funkeinrichtung 203 als höchste verfügbare Funkeinrichtung eingeordnet ist, würden die Nachrichtenpakete B und D aus der Nachrichtenwarteschlange 205 gezogen und an die Funkeinrichtung 203 zur Zustellung an deren jeweiligen Empfangsstationen übertragen. Die Nachrichtenwarteschlange 205 würde dann aktualisiert und die Nachrichten A, C und E, die in der Nachrichtenwarteschlange 205 verbleiben, neu eingeordnet, und die Empfangsfunkeinrichtungen für die Nachrichten A, C und E, die in der Funkeinrichtungswarteschlange 208 verbleiben, aktualisiert und neu eingeordnet.
Die beschriebenen Funkeinrichtungen haben die Fähigkeit, entweder Sprache oder Daten zu überbetragen, und folglich hat der Prioritätsmanager 206 der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit sicherzustellen, dass Sprachnachrichten eine höhere Dringlichkeit zugewiesen wird, und diese werden folglich vor Datennachrichten übertragen. Zum Beispiel kann jeder Sprachnachricht, die an der Sendefunkeinrichtung der Sendestation erhalten wird, eine hohe Priorität und eine kurze Lebensdauer zugewiesen werden, so dass die daraus bestimmte Dringlichkeit größer wird als die jeder beliebigen Datennachricht. Folglich kann der Prioritätsmanager 206 dazu programmiert werden, ein Sprachnachrichtenpaket immer höher in die Nachrichtenwarteschlange 205 einzuordnen als ein Datenpaket.
Die Nachrichtenwarteschlangen und die Funkeinrichtungswarteschlangen sind über das Funkeinrichtungsnetzwerk verteilt, das heißt, jede Funkeinrichtung führt ihre eigenen Warteschlangen, und daher kann der Prioritätsmanager die Nachrichtenübertragungsreihenfolge in jeder Funkeinrichtung unabhängig steuern und den Vorteil gleichzeitiger Übertragungen ausnutzen, wobei herkömmliche Kanalverfahren verwendet werden, was zu einem erhöhten Nachrichtendurchsatz in dem Kommunikationsnetzwerk führt.
Die Zusammenfassung von Paketen ist eine bedeutende Angelegenheit wegen der Bandbreiteeinschränkungen und der Halbduplexnatur einiger drahtloser Systeme. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein einzigartiges Zusammenfassungsverfahren für Pakete verwendet, um die Anzahl von Übertragungen zu reduzieren, die erforderlich ist, um die Nachrichtenpakete in der Nachrichtenwarteschlange zu übertragen. Die Reduzierung der Anzahl von Übertragungen führt zur Reduzierung der notwendigen Bandbreite und reduziert die Betriebskosten des Systems.
Außerdem ist die Reduzierung der Anzahl von Übertragungen von überragender Bedeutung in einer Umgebung, die gegenüber elektronischer Überwachung anfällig ist. Die reduzierte Anzahl von Übertragungen trägt zu einer Reduzierung der elektronischen Authentifizierung der Funkeinrichtung bei.
Unter Bezugnahme auf 2 wird, sobald die höchst eingeordnete verfügbare Empfangsfunkeinrichtung vom Prioritätsmanager 206 bestimmt wurde, ein zusammengefasstes Paket gebildet. Nachrichtenpakete, die an dieselbe Funkeinrichtung gerichtet sind, werden durch den Paketzusammenfassungsmanager 207 in eine einzige Gruppe zusammengefasst.
In herkömmlichen Zusammenfassungsverfahren werden zusammengefasste Gruppen in Abhängigkeit der endgültigen Empfangsstation der Nachrichtenpakete ohne Rücksicht auf Zwischenpunkte wie Empfangsfunkeinrichtungen geformt. Im Gegensatz dazu bestimmt die vorliegende Erfindung Zwischenpunkte der Übertragung, die Nachrichtenpaketen gemeinsam sind, das heißt Empfangsfunkeinrichtungen, um dadurch zu erlauben, dass Nachrichtenpakete zusammengefasst werden, obwohl sie nicht an die gleiche endgültige Empfangsstation gerichtet sind. Dieses verbesserte Zusammenfassungsverfahren erhöht die Anzahl von Nachrichtenpaketen, die für die Zusammenfassung in eine einzige Gruppe zur Verfügung stehen.
Zum Beispiel wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4, die Nachricht A an eine Station 120 adressiert und die Nachricht E an eine Station 130 adressiert. Die Station 120 und die Station 130 verwenden die gleiche Empfangsfunkeinrichtung 201. Wenn die Funkeinrichtung 201 die höchste verfügbare Empfangsfunkeinrichtung ist, werden alle Nachrichten, die an die Funkeinrichtung 201 gerichtet sind, in diesem Beispiel die Nachrichten A und E, aus der Nachrichtenwarteschlange 205 durch den Prioritätsmanager 206 gezogen und an den Paketzusammenfasser 207 gesendet. Der Paketzusammenfasser 207 fasst die Nachrichten A und E in eine zusammenfasste Gruppe zur Übertragung als eine einzige Einheit an die Empfangsfunkeinrichtung 201 zusammen, indem er herkömmliche Zusammenfassungsverfahren verwendet.
Die Empfangsfunkeinrichtungen prüfen auf die Empfangssubnetz-Adresse der zusammengefassten Gruppe und ignorieren die Gruppe, wenn sie nicht an sie gerichtet ist. Die Empfangsfunkeinrichtung kann Fehlerkorrekturen und Prüfsummenvalidierungen ausführen, indem sie herkömmliche Verfahren verwendet. Wenn die Prüfsumme validiert ist, werden die Nutzdaten in einzelne Nachrichtenpakete umformatiert und an die externe Datenschnittstelle zur Zustellung an die geeignete Empfangsstation und Ports geleitet.
Der vorliegende Zusammenfassungsmanager weist verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Zuerst werden die Nachrichtenpakete in Abhängigkeit der Empfangsfunkeinrichtungen ohne Rücksicht auf die endgültige Station oder Anschlussadresse zusammengefasst. Indem Nachrichtenpakete auf der Basis der Empfangsfunkeinrichtungsadresse zusammengefasst werden, sind weniger Übertragungen erforderlich, als wenn die Pakete auf der Basis der Stationsadresse oder der Anschlussadresse, wie es üblicherweise bekannt ist, zusammengefasst werden.
Zweitens werden Nachrichtenpakete für eine Empfangsfunkeinrichtung nicht zusammengefasst, bis bestimmt worden ist, dass die Empfangsfunkeinrichtung verfügbar ist. Indem gewartet wird, bis eine verfügbare Empfangsstation identifiziert worden ist, werden die Nachrichtenpakete, die zuletzt in die Nachrichtenwarteschlange eingetreten sind, zur Zusammenfassung berücksichtigt und daher stehen mehr Daten für die Zusammenfassung zur Verfügung. Dies reduziert die Anzahl von Übertragungen und daher die erforderliche Bandbreite, die ansonsten notwendig sein könnte. Außerdem bein haltet die Zusammenfassungsgruppe die jüngsten Nachrichtenpakete, die an die Empfangsfunkeinrichtung adressiert sind.
Viele herkömmliche Zusammenfassungsmanager fassen Nachrichtenpakete zusammen, bevor sie bestimmen, ob die Empfangsfunkeinrichtungen oder der Knoten zu Verfügung stehen. Die zusammengefasste Gruppe kann dann ungenutzt sein, während darauf gewartet wird, dass die Empfangsfunkeinrichtung oder der Knoten zur Verfügung steht, während Nachrichten, die möglicherweise kurzfristig in die Nachrichtenwarteschlange für die ausgewählte Empfangsfunkeinrichtung eingetreten sind, nicht zur Zusammenfassung mit der aktuell zusammengefassten Gruppe berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein einzigartiges Komprimierungsverfahren verwendet werden, nachdem die Nachrichtenpakete zusammengefasst worden sind. Die Komprimierung, die nach der Zusammenfassung folgt, kann die Anzahl der Übertragungen, die nötig sind, um all die Nachrichtenpakete in der Nachrichtenwarteschlange zu zustellen, noch weiter reduzieren.
Nachdem die zusammengefasste Gruppe gebildet worden ist, bestimmt der Paketzusammenfassungsmanager 207, ob die Komprimierung der zusammengefassten Gruppe wünschenswert ist. Der Paketzusammenfassungsmanager 207 komprimiert die zusammengefasste Gruppe und vergleicht die Größe der komprimierten Gruppe mit der Größe der unkomprimierten Gruppe. Falls die Größe der komprimierten Gruppe größer ist als die der unkomprimierten Gruppe, dann ist die Komprimierung nicht wünschenswert, und die zusammengefasste Gruppe wird ohne Komprimierung übertragen. Typischerweise führen Dateien wie JPEG-Dateien und Videodatenströme zu größeren Dateien, wenn sie komprimiert werden und daher ist die Komprimierung nicht wünschenswert.
Das Verfahren der Zusammenfassung der Nachrichtenpakete nur nachdem bestimmt wurde, dass die Empfangsstation verfügbar ist, ist für die Komprimierungseffizienz der vorliegenden Erfindung vorteilhaft. Wenn die Menge der Daten, die komprimiert wird, ansteigt, steigt die Komprimierungseffizienz des Komprimierungsverfahrens an. Wie zuvor beschrieben, tendiert das Zusammenfassungsverfahren der vorliegenden Erfindung dazu, die Nachrichtenpakete, die für die Zusammenfassung zu Verfügung stehen sind und daher auch für die Komprimierung zur Verfügung stehen sind, zu erhöhen, wodurch daher die Komprimierungseffizienz des vorliegenden Verfahrens dazu tendiert anzusteigen, was weiterhin die Bandbreite reduziert, die anderweitig nötig gewesen wäre.
Der Paketzusammenfassungsmanager 207 kann die zusammengefasste Nachricht vor der Übertragung auch verschlüsseln. Die Verschlüsselung kann unter der Verwendung einer weithin bekannten Verschlüsselungstechnologie ausgeführt werden, deren Details im Stand der Technik weithin bekannt sind, und die daher nicht in der vorliegenden Anmeldung diskutiert werden. Solche Verschlüsselungsverfahren können die Verschlüsselung mit symmetrischen Schlüsseln (engl. symmetric key encryption) und Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln (engl. public key encryption) beinhalten.
Die Verschlüsselung wird nach der Komprimierung ausgeführt, weil die zufällige Reihenfolge, sobald die Daten verschlüsselt sind, die Komprimierung unter der Verwendung herkömmlicher Komprimierungstechniken schwieriger macht.
Folglich werden viele Nachrichtenpakete, die von einer Station zur anderen übermittelt werden, eher als eine einzige zusammengefasste Gruppe übertragen, denn über das gewöhnliche einzelne Paket pro Übertragung, was eine bedeutsame Bandbreitenverschwendung vermeidet und die Anzahl von Übertragungen, die nötig ist, um die Nachrichtenpakete zu übertragen, sehr reduziert.
Die Empfangsfunkeinrichtungen können auch ein automatisches Erkennungsverfahren verwenden, um zu bestimmen, ob die empfangene Gruppe komprimiert ist. Zum Beispiel ist es für die Empfangsfunkeinrichtung wichtig, wenn die übertragene Gruppe wie oben besprochen nicht komprimiert ist, die Gruppe als unkomprimiert zu identifizieren, so dass der Dekomprimierungsalgorithmus, welcher in der Empfangsfunkeinrichtung angesiedelt ist, übersprungen werden kann. Ein derartiges Verfahren zur Bestimmung, ob die empfangene Gruppe komprimiert ist, wäre, auf eine Komprimierungskennung zu prüfen, die in dem Datenkopf der Gruppe angeordnet ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein TCP Filter verwendet, um die erneute Übertragung von erfolgreich übertragenen Nachrichtenpaketen zu verhindern.
In einem herkömmlichen Kommunikationsnetzwerk, kann TCP als das zuverlässige Transportprotokoll verwendet werden, um zu bestätigen, dass IP-Pakete an einer Empfangsstation erfolgreich empfangen wurden. Das TCP System überträgt alle nicht bestätigten Daten erneut, die es empfangen hat, wenn die Sendestation keine rechtzeitige Bestätigung seitens einer Empfangsstation als ein Mittel für eine garantierte Zustellung erhalten hat. Frühere TCP Funksysteme aus dem Stand der Technik senden oft unnötigerweise Pakete durch Funknetzwerke aufgrund inhärenter Verzögerungen beim rechtzeitigen Erhalt von Bestätigungen wegen der Halbduplexnatur und der geringen Bandbreite von drahtlosen Nachrichtübertragungen.
In dem vorliegenden Funksystem wird der Funkverkehr dadurch reduziert, dass die unnötigen erneut zu übertragenden TCP Pakete eliminiert werden, indem die Zeit reduziert wird, die das Kommunikationsnetzwerk benötigt, um die Bestätigung eines Nachrichtenpakets zu erkennen.
Unter Bezugnahme auf 3 führt eine Sendefunkeinrichtung 200 eine Nachrichtenwarteschlange aller Nachrichtenpakete, die von einer Sendestation 100 zur Übertragung an eine Empfangsstation 130 erhalten wurden. Wenn die zusammengefasste Gruppe von der Sendefunkeinrichtung 200 übertragen wird, werden die Nachrichtenpakete der Gruppe aus der Nachrichtenwarteschlange entfernt. Wenn die Empfangsstation 130 ein Nachrichtenpaket erhält, das an sie gerichtet ist, sendet die Empfangsstation 130 eine Bestätigungsnachricht an die Sendestation 100, wodurch der Empfang des Nachrichtenpakets bestätigt wird. Wenn die Sendestation 100 die Bestätigung nicht innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne erhält, sendet die Sendestation 100 eine erneute TCP Übertragung an die Sendefunkeinrichtung 200. Die erneute Übertragung wird in der Nachrichtenwarteschlange der Sendefunkeinrichtung 200 zur erneuten Übertragung an die Empfangsstation 130 gespeichert.
Die Funkeinrichtungen der vorliegenden Erfindung sind dazu in der Lage, empfangene Bestätigungsnachrichten zu erkennen, wodurch der Notwendigkeit eines Vertreters begegnet wird und die zeitliche Verzögerung vermieden wird, die damit verbunden ist, darauf zu warten, dass die Bestätigungsnachricht die Sendestation erreicht.
In einer Ausführungsform vorliegenden Erfindung werden unnötige erneute Übertragungen durch die Verwendung der „Nachsehen"-(engl. "Peek"-)Technologie vermieden. Eine Sendefunkeinrichtung „sieht" bei empfangenen Nachrichten „nach" (engl. "peeks"), um eine Bestätigungsnachricht zu erkennen, die von einer Empfangsstation empfangen wurde. Sobald eine Bestätigungsnachricht erkannt worden ist, kann die Sendefunkeinrichtung dann die empfangene Bestätigungsnachricht mit den Nachrichten in der Nachrichtenwarteschlange der Sendefunkeinrichtung vergleichen, um zu bestimmen, ob eine entsprechende erneut zu übertragende TCP Nachricht von der Sendestation erhalten wurde. Wenn die empfangene Bestätigungsnachricht mit einer erneut zu übertragenden TCP Nachricht in der Nachrichtenwarteschlange der Sendefunkeinrichtung übereinstimmt, wird die erneut zu übertragende TCP Nachricht von der Nachrichtenwarteschlange entfernt und verworfen. Folglich verhindert die „Nachsehen"-Technologie der vorliegenden Erfindung die erneute Übertragung von Nachrichten, obwohl die Bestätigungsnachricht an der Sendestation noch nicht erhalten wurde.
Um zu bestimmen, ob die Bestätigungsnachricht mit der erneut zu übertragenden TCP Nachricht korrespondiert, kann der TCP Filter 204 in der Sendefunkeinrichtung 200 die Sequenznummer, die Empfangsadresse, die Sendeadresse, den Empfangs-Port, den Sende-Port und TCP Steuerbits der Nachrichten vergleichen. Alternativ können andere Nachrichtenkennungen verglichen werden, welche dann bei der Identifikation einer erneut zu übertragenden TCP Nachricht Hilfe leisten, die mit der empfangenen Bestätigungsnachricht korrespondiert.
Der Betrieb des TCP Filters wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Zum Beispiel wird ein Nachrichtenpaket B von einer Sendestation 100 über eine Sendefunkeinrichtung 200 zur Übertragung an eine Empfangsfunkeinrichtung 203 zur Zustellung an eine Empfangsstation 140 gesendet. Die Station 100 wartet darauf, eine TCP Bestätigungsnachricht von der Empfangsstation 140 zu erhalten. Wenn die Bestätigungsnachricht nicht nach einer vorbestimmten Zeitspanne an der Sendestation 100 erhalten wird, sendet die Sendestation 100 eine erneut zu übertragende TCP Nachricht für das Nachrichtenpaket B an die Sendefunkeinrichtung 200. Die Sendefunkeinrichtung 200 speichert die erneut zu übertragende TCP Nachricht in ihrer Warteschlange zur erneuten Übertragung an die Empfangsfunkeinrichtung 203, und kann das Prioritätsmanagement, Zusammenfassungs- und Komprimierungstechniken verwenden, die zuvor beschrieben worden sind.
Die Sendefunkeinrichtung 200 „sieht" in allen von den anderen Funkeinrichtungen empfangenen Nachrichten „nach" und vergleicht die empfangenen Nachrichten mit den Nachrichten in seiner Nachrichtenwarteschlange 205, um zu bestimmen, ob eine empfangene Bestätigungsnachricht, mit einer erneut zu übertragenden TCP Nachricht korrespondiert. Zum Beispiel „sieht" die Sendefunkeinrichtung 200 in der Bestätigungsnachricht nach, wenn die Empfangsfunkeinrichtung 203 eine TCP Bestätigungsnachricht von der Station 140 an die Sendefunkeinrichtung 200 zur Zustellung an die Sendestation 100 überträgt, identifiziert die Bestätigungsnachricht als zu der erneut zu übertragenden TCP Nachricht in ihrer Nachrichtenwarteschlange korrespondierend, und verwirft die erneut zu übertragende TCP Nachricht. Wenn die Sendefunkeinrichtung 200 eine TCP Bestätigungsnachricht nicht erhält, bevor es Zeit wird, die erneut zu übertragende TCP Nachricht zu übertragen, wird das Nachrichtenpaket B zum Empfänger erneut übertragen.
Die vorliegende Erfindung erhöht den Nachrichtendurchsatz oder die Kapazität eines Kommunikationssystems, während Bandbreite und Übertragungsrate erhalten bleiben.
Der Prioritätsmanager berücksichtigt nicht nur die Priorität von Nachrichten, die zu übertragen sind, sondern auch die Lebensdauer jeder Nachricht, ob die Nachricht aus Spra che oder Daten besteht, und die Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtung zum Empfang.
Der Zusammenfassungsmanager der Anmelderin fast Pakete zusammen, die an die gleiche Empfangsfunkeinrichtung gerichtet sind, ohne Rücksicht auf die Empfangsstation der Nachrichten, wodurch der Prozentsatz der Zusammenfassung erhöht wird.
Der Zusammenfassungsmanager der Anmelderin berücksichtigt auch, ob eine Komprimierung die Größe der zusammengefassten Gruppe reduzieren oder vergrößern wird, und umgeht den Komprimierungsalgorithmus, wenn keine ausreichende Reduzierung der Bandbreite erreicht wird.
Der TCP Filter der Anmelderin reduziert unnötige erneute Übertragungen, indem die Verzögerungen reduziert werden, die mit der Erkennung eines bestätigten Pakets verbunden sind.
System und Verfahren zur Erhöhung des Nachrichtendurchsatzes in einem Kommunikationssystem unter Verwendung von Prioritätsmanagement, Zusammenfassung und Komprimierung, TCP Filterung zur erneuten Übertragung und „Zug"-(engl. "Pull"-) Übertragung. Der Prioritätsmanager ordnet die Nachrichten in eine Nachrichtenwarteschlange in Abhängigkeit der Priorität und der Lebensdauer jeder Nachricht ein. Die Zusammenfassung fast Nachrichten in Gruppen zusammen, die an die gleiche Empfangsfunkeinrichtung gerichtet sind. Der TCP Filter verhindert die erneute Übertragung von erfolgreich empfangenen Nachrichten. Die Nachrichten werden in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der Empfangsfunkeinrichtung zum Empfang übertragen.

Claims

Verfahren zum Einsparen von Bandbreite in einem Paketvermittlungs-Kommunikationsnetzwerk beim Senden mehrerer Nachrichtenpakete über ein Funknetzwerk, wobei jedes Nachrichtenpaket an eine Empfangsstation (110, 120) adressiert ist, welche einem intermediären Funknetzwerk (201) zugeordnet ist, umfassend die Schritte: a) Bestimmen der Intermediär-Funknetzwerkadresse der Funkeinrichtung (201), welche der Empfangsstation für jedes Nachrichtenpaket (120, 130) zugeordnet ist; b) Zusammenstellen mehrerer Nachrichtenpakete, welche für eine gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse bestimmt sind, in eine zusammengefasste Gruppe; c) Rahmen (frame) der zusammengefassten Gruppe; d) Übertragen der zusammengefassten Gruppe über das Funknetzwerk an die gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse; e) Empfangen und Wiederaufbereiten der zusammengefassten Gruppe in einzelne Nachrichtenpakete; f) Zustellen der einzelnen Nachrichtenpakete an ihre jeweiligen Empfangsstationen, wobei mehrere Nachrichtenpakete bevorzugt als zusammengefasste Gruppe übertragen werden als als einzelne Nachrichtenpakete und wobei die Intermediär-Funknetzwerkadresse priorisiert wird durch das Führen eines Verfügbarkeitsstatus und Einordnen der Reihenfolge der Intermediär-Funkadressen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet durch das Komprimieren der zusammengesetzten Gruppe vor der Übertragung, wobei der Verfahrensschritt des Komprimierens den Schritt des Vergleichens der Größe der komprimierten Gruppe mit der Größe der unkomprimierten Gruppe enthält und den Schritt des Auswählens der kleineren der komprimierten Gruppe oder der unkomprimierten Gruppe für die Übertragung.
Verfahren gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet durch den Schritt des Verschlüsselns der zusammengefassten Gruppe vor der Übertragung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Rahmens das Anwenden von Kopfinformationen (header), Prüfsummen und vorwärts gerichteten Fehlerkorrekturkodierungen enthält und der Schritt des Wiederherstellens den Schritt der automatischen Detektion, ob die Empfangene Gruppe komprimiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der mehreren für die gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse bestimmten Nachrichtenpakete eine von den anderen Nachrichtenpaketen der zusammengefassten Gruppe verschiedene Absenderadresse aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das zusammengefasste Paket Pakete unterschiedlicher Absender enthält, welche für die gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse (201) und verschiedene Empfängeradressen (120, 130) bestimmt sind.
System zum Einsparen von Bandbreite in einem Paketvermittlungs-Kommunikationsnetzwerk, wobei Nachrichtenpakete an unterschiedliche Empfangstationen (120, 130) übertragen werden und jede Empfangsstation wenigstens eine Empfangs-Funkeinrichtung enthält, und wobei die Empfangsstationen (120, 130) eine gemeinsame Intermediär-Funkeinrichtung (201) mit einer Netzwerkadresse teilen können, umfassend: Mittel zu Bestimmung der Funknetzwerkadresse der Intermediär-Funkeinrichtung (201), welche der Empfangsstation (120, 130) zugeordnet ist, für jedes Nachrichtenpaket; Mittel zum Zusammenfassen (207) mehrerer Nachrichtenpakete, welche für eine gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse bestimmt sind, in eine zusammengefasste Gruppe; Mittel zum Übertragen (211) der zusammengefassten Gruppe über das Funknetzwerk an die gemeinsame Intermediär-Funknetzwerkadresse (201), Mittel zum Empfangen und Wiederherstellen der zusammengefassten Gruppe in einzelne Nachrichtenpakete zur Zustellung an ihre entsprechenden Empfangsstationen (120, 130); und Mittel zum Priorisieren der Intermediär-Radionetzwerkadresse durch das Führen eines Verfügbarkeitsstatus und Einordnen der Reihenfolge der Intermediär-Funkadressen so dass mehrere Nachrichtenpakete bevorzugt als zusammengefasste Gruppe übertragen werden als als individuelle Nachrichtenpakete.
System gemäß Anspruch 7, wobei die Mittel zur Zusammenfassung (207) Mittel zur Komprimierung der zusammengefassten Gruppe enthalten, in welchen die Mittel zur Komprimierung Mittel zum Vergleichen der Größe der zusammengefassten Gruppe vor und nach der Komprimierung enthalten und Mittel zur Auswahl der kleineren der komprimierten oder unkomprimierten Gruppe für die Übertragung, und die Empfangs-Funkeinrichtung Mittel zur automatischen Bestimmung, ob die empfangene Gruppe komprimiert ist, enthält.
System gemäß Anspruch 7, weiterhin umfassend Mittel zur Verschlüsselung der komprimierten zusammengefassten Gruppe vor der Übertragung.
System gemäß Anspruch 7, wobei Nachrichten als Funktion der Intermediär-Funknetzwerkadresse ohne Rücksicht auf die Empfangsadresse weitergeleitet werden.