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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kanalzuweisungen in drahtlosen 802.11-Netzwerken.
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Allgemeiner Stand der Technik
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IEEE
802.11 hat sich als das Standardprotokoll für drahtlose Ethernet-Kommunikation
entwickelt. Obwohl sich 802.11 stark verbreitet, wurde es ursprünglich nicht
für Benutzung
in derartig großem Maßstab ausgelegt.
Probleme aufgrund der Störungen,
die drahtlose Kommunikationsnetze auf großem Maßstab beeinträchtigen
können,
wurden bei der Bildung des Standards IEEE 802.11 nicht genug berücksichtigt.
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802.11
ist zur Zeit auf statistische Kanalzuweisung (SCA) beschränkt. Unter
SCA liegt ein für Datenkommunikation
benutzter Kanal fest und der Datentransfer zwischen einem ersten
Sender/Empfänger
und einem zweiten Sender/Empfänger
findet ungeachtet der Kanalauslastung und Störungen nur auf diesem Kanal
statt. Dies kann zu einem Zustand führen, in dem ein Kanal überlastet
ist, während
andere Kanäle
zu wenig ausgelastet sind. Auf einem überlasteten Kanal treten häufig mehr
Störungen
als auf einem nicht genug ausgelasteten Kanal auf. Das
US-Patent 6,404,756 für Whitehill
et al. beschreibt ein System, das versucht, dieses Problem durch
Verwendung eines Reservierungskanals zu lösen. Die
US-Publikation 2002/0060995
A1 von Cervello et al. beschreibt ein System, das auf der
Basis der Empfangssignalstärke
(RSSI) neue Kanäle
auswählt.
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Es
gibt zahlreiche schädliche
Konsequenzen von Störungen
in einem drahtlosen Kommunikationsnetz, wie zum Beispiel vergrößerte Paketfehlerrate, verringerter
Netzdurchsatz und größere Transferverzögerungen.
Kommunikationssysteme, die den Standard IEEE 802.11 mit SCA verwenden,
können
deshalb einen Kanal aufweisen, der durch reduzierten Netzdurchsatz
und größere Transferverzögerungen aufgrund
von Störungen
beeinträchtigt
wird, während andere
Kanäle
nicht genug ausgelastet sind.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden in den unabhängigen
Ansprüchen
definiert, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sendet ein erster Sender/Empfänger eine
Sendeanforderungsnachricht über
mehrere Kommunikationskanäle.
Ein zweiter Sender/Empfänger
empfängt
die Sendeanforderungsnachrichten und wählt auf der Basis einer der empfangenen
Sendeanforderungsnachrichten einen der Kommunikationskanäle aus.
Zum Beispiel wird bei einer Ausführungsform
der Kanal ausgewählt, über den
die Sendeanforderungsnachricht mit dem höchsten Rauschabstand empfangen
wurde. Der zweite Sender/Empfänger
sendet dann eine Sendeerlaubnisnachricht über den gewählten Kanal. Auf der Basis
des Empfangs dieser Sendeerlaubnisnachricht weist der erste Sender/Empfänger den
gewählten
Kanal für
das Senden von Datenpaketen zu.
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Es
versteht sich, daß sich
diese Methodologie der Kanalzuweisung an in dem Kommunikationssystem
vorliegende Bedingungen anpaßt
und den Systemdurchsatz vergrößern und
gleichzeitig Störungen
verringern kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgend angegebenen ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen, die lediglich als Veranschaulichung vorgesehen sind,
besser verständlich.
In den verschiedenen Zeichnungen kennzeichnen gleiche Bezugszahlen
entsprechende Teile. Es zeigen:
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1 zwei
Sender/Empfänger,
die eine Ausführungsform
eines Verfahrens der dynamischen Kanalzuweisung (DCA) gemäß der vorliegenden
Erfindung verwenden;
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2 ein
Signalflußdiagramm
einer beispielhaften Wechselwirkung zwischen zwei Sendern/Empfängern gemäß einer
Ausführungsform
der dynamischen Kanalzuweisung (DCA) der vorliegenden Erfindung;
und
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3 ein
einfaches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Kanalauswahl zum
Empfangen von Daten unter Verwendung von DCA gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
zwei Sender/Empfänger,
die eine Ausführungsform
eines Verfahrens der dynamischen Kanalzuweisung (DCA) gemäß der vorliegenden
Erfindung verwenden. Wie gezeigt, kann eine erste Einheit 100 zur
dynamischen Kanalzuweisung (DCA) des ersten Senders/Empfängers 10 eine
erste Vielzahl von physischen (PHY-)Einheiten 110 der MAC (Medium
Access Controller) anweisen, Sendeanforderungs-(RTS-)Nachrichten
zu senden. Die Implementierung der ersten MAC/PHY-Einheiten 110 ist
in der Technik wohlbekannt und wird nicht weiter beschrieben. Jede
erste MAC/PHY-Einheit 110 entspricht einem Kanal, der in
einem Frequenzbereich arbeitet, in dem Signale empfangen und/oder
gesendet werden können.
Zum Beispiel weist ein IEEE 802.11b drei sich nicht überlappende
Kanäle
auf, und hier würden
drei erste MAC/PHY-Einheiten 110 existieren. Jede erste
MAC/PHY-Einheit 110 sendet eine RTS-Nachricht zu einem
ersten Kombinierer/Demultiplexer 125. Der Kombinierer/Demultiplexer 125 kombiniert
die Signale aus den MAC/PHY-Einheiten 110, um ein kombiniertes
Signal zu produzieren, und eine Antenne 130 sendet das
kombinierte Signal.
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Eine
Antenne 140 eines zweiten Senders/Empfängers 20 empfängt Signale,
wie zum Beispiel durch die Antenne 130 des ersten Senders/Empfängers 10 gesendete
Signale. Durch die Antenne 140 empfangene Signale werden
durch einen zweiten Kombinierer/Demultiplexer 145 zu ihren jeweiligen
Kanälen
gedemultiplext und zu den jeweiligen zweiten MAC/PHY-Einheiten 160 gesendet. Wie
bei der ersten MAC/PHYS-Einheit 110 in dem ersten Sender/Empfänger 10 entspricht
die zweiten MAC/PHYS-Einheiten 160 in
dem zweiten Sender/Empfänger 20 jedem
Kanal (z. B. entsprechen drei MAC/PHYS-Einheit 160 jeweils
einem der drei sich nicht überlappenden
Kanäle
in IEEE 802.11b). Die Implementierung der zweiten MAC/PHY-Einheiten 160 ist
in der Technik wohlbekannt und wird nicht weiter beschrieben. In
jeder MAC/PHY-Einheit 160 werden
Nachrichten aus dem Kanal extrahiert. Extrahierte RTS-Nachrichten
werden zu einer zweiten DCA-Einheit 170 gesendet.
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2 zeigt
ein Signalflußdiagramm
einer beispielhaften Wechselwirkung zwischen zwei Sendern/Empfängern gemäß einer
Ausführungsform
der dynamischen Kanalzuweisung (DCA) der vorliegenden Erfindung.
Wenn der erste Sender/Empfänger 10 ein
Paket zu senden hat, bewirkt wie gezeigt die erste DCA-Einheit 100,
daß der
erste Sender/Empfänger 10 über jeden
der Vielzahl von Kanälen
(z. B. der drei sich nicht überlappenden
Kanäle
bei IEEE 802.11b) RTS-Nachrichten
sendet. Auf der Basis der empfangenen RTS-Nachrichten wählt die zweite DCA-Einheit 170 in
dem zweiten Sender/Empfänger 20 einen der
Kanäle.
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3 zeigt
ein Flußdiagramm
eines Verfahrens der Kanalauswahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, empfängt die zweite DCA-Einheit 170 eine erste
der RTS-Nachrichten im Schritt S310. Wenn die zweite DCA-Einheit 170 die
erste RTS-Nachricht empfängt,
startet die zweite DCA-Einheit 170 einen (nicht
gezeigten) Timer, um einen Zeitraum (Tr) herunterzuzählen (Schritt
S312). Die zweite DCA-Einheit 170 kann zusätzliche
RTS-Nachrichten empfangen, bis der Zeitraum Tr abläuft (Schritt
S314). Auf der Basis der innerhalb des Zeitraums Tr durch die zweite
DCA-Einheit 170 empfangenen RTS-Nachrichten, einschließlich der
ersten empfangenen RTS-Nachricht, wird ein mit einer der RTS-Nachrichten
assoziierter Kanal ausgewählt
(Schritt S316). Die zweite DCA-Einheit 170 kann dann den
Kanal im Schritt S316 gemäß einem
beliebigen wohlbekannten Kanalauswahlalgorithmus oder -verfahren
oder gemäß dem nachfolgend
ausführlich
beschriebenen Kanalauswahlverfahren auswählen.
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Wieder
mit Bezug auf 2 weist die zweite DCA-Einheit 170 die
mit dem gewählten
Kanal assoziierte MAC/PHY-Einheit 160, nachdem die zweite DCA-Einheit 170 einen
Kanal auswählt,
an, eine Sendeerlaubnis-(CTS-)Nachricht
zu dem ersten Sender/Empfänger 10 zu
senden (Schritt S318). Die assoziierte MAC/PHY-Einheit 160 sendet
eine CTS-Nachricht zu dem zweiten Kombinierer/Demultiplexer 145.
Der zweite Kombinierer/Demultiplexer 145 sendet ein die
CTS-Nachricht enthaltendes
Signal auf dem gewählten
Kanal zur Übertragung
zu einer Antenne 140. Bei dieser Ausführungsform enthält nur der
gewählte
Kanal eine CTS-Nachricht. Nach der Auswahl des Kanals setzt die
zweite DCA-Einheit 170 auch die nicht ausgewählten Kanäle zurück; das heißt die zweite
DCA-Einheit 170 setzt die mit den nicht ausgewählten Kanälen assoziierten
zweiten MAC/PHY-Einheiten 160 zurück. Dadurch werden die zurückgesetzten
zweiten MAC/PHY-Einheiten 160 in einen Zustand gebracht,
als ob diese Einheiten keine RTS-Nachrichten empfangen hätten.
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Die
Antenne 130 des ersten Senders/Empfängers 10 empfängt Signale,
wie zum Beispiel durch die Antenne 140 des zweiten Senders/Empfängers 20 gesendete
Signale. Durch die Antenne 130 empfangene Signale werden
durch den ersten Kombinierer/Demultiplexer 125 zu ihren
jeweiligen Kanälen gedemultiplext
und zu den jeweiligen MAC/PHY-Einheiten 110 gesendet. Jede
MAC/PHY-Einheit 110 extrahiert Nachrichten aus ihrem jeweiligen
Kanal. Die extrahierte CTS-Nachricht wird zu der ersten DCA-Einheit 100 gesendet.
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Der
Empfang einer CTS-Nachricht auf dem gewählten Kanal zeigt der ersten
DCA-Einheit 100 an, den gewählten Kanal für die Kommunikation
zu verwenden. Der erste Sender/Empfänger 10 wird dann über den
gewählten
Kanal Verkehr (z. B. Pakete) senden. Die erste DCA-Einheit 100 setzt
außerdem
die nicht ausgewählten
Kanäle
zurück;
das heißt die
erste DCA-Einheit 100 setzt die mit den nicht ausgewählten Kanälen assoziierten
ersten MAC/PHY-Einheiten 110 zurück. Dadurch
werden die zurückgesetzten
MAC/PHY-Einheiten 110 in einen Zustand gebracht, als ob
diese Einheiten keine RTS-Nachricht gesendet hätten.
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Es
versteht sich, daß innerhalb
der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der erste Sender/Empfänger 10 das
Quellenendgerät
und der zweite Sender/Empfänger 20 das
Zielendgerät
repräsentiert.
Es versteht sich jedoch, daß bei
einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung der zweite Sender/Empfänger 20 das
Quellenendgerät und
der ersten Sender/Empfänger 10 das
Zielendgerät
repräsentieren
kann.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung können
der erste Sender/Empfänger 10 und
der zweite Sender/Empfänger 20 auf
eine Situation stoßen,
in der die zweite DCA-Einheit 170 keine
RTS-Nachricht ordnungsgemäß empfängt. Außerdem kann
eine Situation entstehen, in der die Kanäle für die empfangenen RTS-Nachrichten
als für
Auswahl ungeeignet betrachtet werden. Ein Grund dafür, daß eine empfangene
RTS-Nachricht als ungeeignet betrachtet werden kann, ist ein niedriger
Rauschabstand (SINR). Wenn die zweite DCA-Einheit 170 keine
RTS-Nachricht empfängt und/oder
keine geeignete RTS-Nachricht
empfängt,
sendet der zweite Sender/Empfänger 20 keine
CTS-Nachricht zu dem ersten Sender/Empfänger 10. Nach einer
Zeitablaufperiode, in der die erste DCA-Einheit 100 keine CTS-Nachricht
von dem zweiten Sender/Empfänger 20 empfängt, weist
die erste DCA-Einheit 100 die
ersten MAC/PHY-Einheiten 110 an, die RTS-Nachrichten über ihre
jeweiligen Kommunikationskanäle
zu dem zweiten Sender/Empfänger 20 weiterzusenden,
um einen Kanal auszuwählen,
auf dem gesendet werden soll.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann die Timerperiode Tr auf der Basis einer
Kenngröße der Datenübertragung bestimmt
werden. Zum Beispiel kann ein kleiner Tr-Wert eine kleine Verzögerung anzeigen,
bevor die Datenübertragung über einen
gewählten
Kanal eingeleitet wird. Der gewählte
Kanal ist möglicherweise bei
Verwendung eines kleinen Tr-Werts jedoch nicht der beste Kanal.
Ein großer
Tr-Wert kann eine im Vergleich zu einem kleinen Tr-Wert größere anfängliche
Verzögerung
aufweisen, bevor die Datenübertragung
beginnt, aber eine zweite DCA-Einheit 170, die einen großen Tr-Wert
verwendet, kann im Vergleich zu einer zweiten DCA-Einheit 170,
die einen kleinen Tr-Wert verwendet, einen besseren Kanal mit überlegenen
Leistungskenngrößen auswählen.
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DCA-Gewinn
bedeutet die Zunahme der Leistungsfähigkeit zwischen einem Sender/Empfänger, der
DCA verwendet, gegenüber
einem SCA verwendenden Sender/Empfänger. Im allgemeinen kann der
DCA-Gewinn aus einem großen
Tr-Wert Nutzen ziehen,
wenn eine große
Menge an Daten zu übertragen
ist. Die anfängliche Übertragungsverzögerung ist
relativ unbedeutend, wenn ein großer Datentransfer erforderlich
ist. Ähnlich
kann der DCA-Gewinn aus einem kleinen Tr-Wert Nutzen ziehen, wenn
eine kleine Menge an Daten für Übertragung
erforderlich ist. Die anfängliche Übertragungsverzögerung ist
relativ bedeutsam, wenn ein kleiner Datentransfer erforderlich ist.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Paketübertragung über den gewählten Kanal erfolglos bleiben.
Das Paket wird dann auf dem gewählten Kanal
neu gesendet. Wenn nach der erneuten Übertragung des Datenpakets
der Normalbetrieb wieder aufgenommen wird, wird die Datenübertragung
normal auf dem gewählten
Kanal fortgesetzt. Wenn dagegen ein zweiter erfolgloser Paketübertragungsversuch
besteht, wird der gewählte
Kanal zurückgesetzt und
die erste DCA-Einheit 100 weist die MAC/PHY-Einheiten 110 an,
die RTS-Nachrichten erneut auf den mehreren Kommunikationskanälen zu dem
Sender/Empfänger 20 zu
senden, um einen neuen Kanal für
die Übertragung
auszuwählen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die erste DCA-Einheit 100 die
MAC/PHY-Einheiten 110 an,
die RTS-Nachrichten auf den mehreren Kommunikationskanälen erneut
zu senden, um einen neuen Kanal auszuwählen, nachdem der erste Sender/Empfänger 10 eine Anzahl
von Datenpaketen gesendet hat.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Registrations- und Authentifikationsprozeß an einem festgelegten
der mehreren Kommunikationskanäle ausgeführt, bevor
die DCA gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung leitet die erste DCA-Einheit 170 DCA
nur dann ein, wenn die Länge
einen festen Schwellenwert (L) übersteigt.
Der Schwellenwert L kann benutzerspezifiziert oder ein vom Systementwickler
eingestellter Entwurfsparameter sein. Wenn die Länge des zu übertragenen Pakets den Schwellenwert
L übersteigt,
kann DCA eingeleitet werden, wie etwa in 1–3 dargestellt. Durch
Einleiten von DCA nur für
Pakete, die länger als
L sind, kann ein Verborgenes-Endgerät-Problem vermieden
werden.
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Verborgenes-Endgerät-Störungen werden durch
das gleichzeitige Senden zweier Sender/Empfänger verursacht, wobei jeder
Sender/Empfänger nichts
von dem Senden des anderen Senders/Empfängers weiß und die Sendung beider Sender/Empfänger von
demselben Ziel-Sender/Empfänger empfangen
wird. Diese Störung
verringert den Systemdurchsatz und vergrößert die mittlere Paketverzögerung.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein Verborgenes-Endgerät-Problem unter Verwendung
von DCA vermieden werden, indem man einen Kanal auswählt, der
zur Zeit keinen Verkehr führt,
wenn ein solcher Kanal verfügbar
ist. Somit kann die Anzahl der gleichzeitig zu einem Ziel-Sender/Empfänger sendenden
Sender/Empfänger
verringert werden.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird DCA nicht aktiviert, wenn die Länge des
zu übertragenen
Pakets nicht den Schwellenwert L übersteigt. Bei dieser Ausführungsform
wird das Paket gemäß herkömmlichen SCA-Techniken
gesendet.
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Ferner
kann ein Systementwickler einen kleinen Schwellenwert L spezifizieren,
um DCA-Gewinn zu realisieren. Ein zu kleiner Schwellenwert L kann jedoch
bei kleinen Datenpaketen unnötige
Verzögerung
vor der Datenübertragung
verursachen und kann aufgrund der DCA-Operationen Bandbreite verschwenden.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein sendender DCA-Sender/Empfänger mit
einem empfangenden Sender/Empfänger
kommunizieren, der keine DCA-Fähigkeit
besitzt. Der DCA-Sender/Empfänger
kann normal arbeiten, so als ob der Sender/Empfänger DCA-Fähigkeit besäße. Der DCA-Sender/Empfänger würde eine
CTS-Nachricht nur auf einem der mehreren Kommunikationskanäle empfangen,
weil der Nicht-DCA-Sender/Empfänger nur
auf dem einen festen Kanal anspricht.
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Eine
Bestimmung, daß der
Nicht-DCA-Sender/Empfänger
keine DCA-Fähigkeit
besitzt, kann durch den DCA-Sender/Empfänger durchgeführt werden,
nachdem eine CTS-Nachricht
nur auf dem einen selben Kanal für
einen Zeitraum empfangen wird. Der DCA-Sender/Empfänger kann
dann die MAC/PHY für
andere Kanäle
ausschalten.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein empfangender DCA-Sender/Empfänger mit
einem sendenden Sender/Empfänger
implementiert werden, der keine DCA-Fähigkeit besitzt. Der DCA-Sender/Empfänger kann
normal arbeiten, so als ob der Sender/Empfänger DCA-Fähigkeit besäße. Der empfangene DCA-Sender/Empfänger würde eine RTS-Nachricht nur auf
einem der mehreren Kommunikationskanäle empfangen. Eine Bestimmung,
daß der
Nicht-DCA-Sender/Empfänger keine
DCA-Fähigkeit
besitzt, kann durch den DCA-Sender/Empfänger durchgeführt werden,
nachdem eine RTS-Nachricht nur auf dem einen selben Kanal für einen
Zeitraum empfangen wird. Der DCA- Sender/Empfänger kann dann
die MAC/PHY für
andere Kanäle
ausschalten.
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Als
nächstes
wird ein Verfahren zum Auswählen
eines Kanals wie in Schritt S316 von 3 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargelegt beschrieben. Aus den in den Schritten
S310 und S314 empfangenen RTS-Nachrichten kann die zweite DCA-Einheit 170 den
Rauschabstand (SINR) für
jeden mit einer empfangenen RTS-Nachricht assoziierten Kanal auf
beliebige wohlbekannte Weise schätzen.
Der Kanal mit dem größten geschätzten SINR
ist der in dem Schritt S316 ausgewählte Kanal.
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Die
erfindungsgemäßen Techniken
der vorliegenden Erfindung erlauben es Sendern/Empfängern, die
DCA verwenden, in Sendern/Empfängern, die
SCA verwenden, naturgemäße Störungen zu
vermeiden und verringern somit die negativen Auswirkungen, die Störungen auf
ein drahtloses Kommunikationssystem des Typs 802.11 haben können.
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Nachdem
die beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung somit beschrieben wurden, ist es offensichtlich,
daß selbige
auf vielerlei Weisen variiert werden können. Zum Beispiel können die
beispielhaften Ausführungsformen
für drahtlose Netzwerke
des Typs 802.11 gelten, bei denen sich keiner der mehreren Kommunikationskanäle miteinander überlappt.
Ferner versteht sich, daß die
beispielhaften Ausführungsformen
für drahtlose
Netzwerke des Typs 802.11 gelten können, bei denen sich mindestens
einer der mehreren Kommunikationskanäle mit einem anderen der mehreren
Kommunikationskanäle überlappt.
Solche Varianten werden nicht als Abweichung von dem Schutzumfang
der beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung angesehen, und alle solche Modifikationen, die Fachleuten offensichtlich
wären,
sollen in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen.