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HINTERGRUND
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Die
Erfindung betrifft allgemein IEEE 802.11 drahtlose Netze und insbesondere
ein Mediumzugriffsprotokoll für
drahtlose IEEE 802.11 Mehrratennetze.
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In
drahtlosen Netzen können
Pakete als Folge von verschiedenen Faktoren, wie einem Pfadverlust, einem
Schwund und einer Interferenz zerstört werden oder verloren gehen.
Während
drahtlose lokale Netze (WLANs), die gemäß dem, IEEE 802.11 Standard
ausgeführt
sind, Pakete mit variabler Länge
unterstützen, können längere Pakete
einer höheren
Fehlerwahrscheinlichkeit ausgesetzt sein. Der Standard definiert
einen Prozess, der als Fragmentierung bezeichnet wird und der kleinere
Fragmente aus einem ursprünglichen
Rahmen erzeugt. Eine Fragmentierung erhöht die Zuverlässigkeit
durch Erhöhen
der Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Übertragung der Fragmente in
Fällen,
bei denen Kanalcharakteristiken die Empfangszuverlässigkeit
für längere Rahmen
begrenzen. Wenn ein Rahmen mit einer Länge empfangen wird, die größer als
eine gegebene Fragmentierungsschwelle ist, wird der Rahmen fragmentiert.
In herkömmlichen
WLANS wird die Fragmentierungsschwelle netzweit gesetzt. Wenn ein
IEEE 802.11 Netz Kommunikationen mit mehreren Raten unterstützt, erfordern
demzufolge Pakete mit der gleichen Größe unterschiedliche Übertragungsdauern
bei unterschiedlichen Datenratenmoden.
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Dem
Stand der Technik ist bekannt, dass eine Technik zum Bestimmen der
Fragmentgröße darin
besteht die Fragmentgröße auf Grundlage
von Fehlerwahrscheinlichkeiten wie gemessen anzupassen, zum Beispiel
wie oft eine erwartete ACK verloren gegangen ist oder zeitlich ausgelaufen
ist, siehe zum Beispiel:
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LETTIERI
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frame length control for improving wireless link throughput, range
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ISBN: 0-7803-4383-2.
-
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XP010504427 ISBN: 0-7695-0568-6; and
-
MODIANO
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NETWORKS, ACM, US, vol. 5, no. 4, August 1999 (1999-08), Seiten 279–286, XP000859592
ISSN: 1022-0038; and
-
SONG
CI ET AL: 'Adaptive
approaches to enhance throughput of IEEE 802.11 wireless LAN with
bursty channel' 25th CONFERENCE ON LOCAL COMPUTER NETWORKS,
XP010527415.
-
Der
Stand der Technik weiß auch,
dass eine optimale Paketlänge
eine Funktion des Signal-zu-Rauschverhältnis sein
kann, siehe um Beispiel:
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DASILVA
VA J S ET AL: 'OPTIMAL
PACKET LENGTH FOR GAD ING LAND MOBILE DATA CHANNELS' INTERATIONAL CONFERENCE
ON COMMUNICATIONS. SEATTLE, JUNI 8–12, 1980, NEW YORK, IEEE,
US, Vol. 3, Juni 1980 (1980-06), Seiten 61301–61305, XP000809952.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt
bereit, wie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1A und 1B Diagramme
von beispielhaften IEEE 802.11 drahtlosen Netzen mit Netzknoten, die
angeordnet sind, um einen Infrastruktur-Basisdienstsatz bzw. einen
unabhängigen
Basisdienstsatz zu bilden, wobei die Knoten angeordnet sind, um
einen Fragmentierungsschwellen-Bestimmungsmechanismus zu verwenden,
der die Fragmentierungsschwelle dynamisch einstellen kann;
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2 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften der Netzknoten (gezeigt in den 1A–1B);
-
3 eine
Darstellung eines beispielhaften Formats einer MAC Protokolldateneinheit
(Protocol Data Unit; PDU);
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4A und 4B Timingdiagramme,
die den Betrieb in Übereinstimmung
mit einer grundlegenden Verteilten Koordinationsfunktion (Distributed
Coordination Function; DCF) bzw. eine DCF mit einer/einem Aufforderung-zum-Senden
(Request-to-Send; RTS)Bereit-zum-Senden (Clear-to-Send; CTS) darstellen;
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5 eine
Darstellung einer MAC Dienst-Daten-Einheit (MAC Service Data Unit;
MSDU) Fragmentierung;
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6A bzw. 6B Timingdiagramme,
die eine erfolgreiche Fragmentübertragung
bzw. eine fehlgeschlagene Fragmentübertragung darstellen;
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7A bzw. 7B Darstellungen
von beispielhaften Formaten eines Datenrahmens bzw. eines ACK (Bestätigungs-)
Rahmens;
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8 eine
Darstellung eines beispielhafen Formats einer PHY Protokoll-Daten-Einheit
(PHY Protocol Data Unit; PPDU);
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9 und 10 graphische
Darstellungen des Durchsatzes als eine Funktion des SNR für verschiedene
Fragmentgrößen unter
Verwendung von Datenraten eines PHY Knotens 3 bzw. eines
PHY Knotens 6; und
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11 ein
Blockdiagramm des MAC/PHY Transceivers (Sender/Empfängers) (von 2),
konfiguriert, um eine dynamische Fragmentierungsschwelleneinstellung
auszuführen.
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Gleiche
Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend
auf 1 umfasst ein drahtloses Netz
zwei oder mehrere drahtlose Netzknoten 12, z.B. Stationen
(oder Terminals) 12a, 12b und 12e, die
einer Peer-zu-Peer Konfiguration angeordnet sind und als ein unabhängiger Basisdienstsatz
(Independent Basis Service Set; IBSS) bezeichnet wird. Während einer Kommunikation
zwischen wenigstens zwei der Netzknoten 12 über ein
drahtloses Übertragungsmedium
(angezeigt mit dem Bezugszeichen 14) dienst ein erster
Netzknoten, zum Beispiel der Netzknoten 12a, als ein sendender
bzw. übertragender
Netzknoten (oder Sender) und wenigstens ein zweiter Netzknoten,
zum Beispiel der Netzknoten 12b, dient als eine empfangender
Netzknoten (oder Empfänger).
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In
einer anderen Ausführungsform
des drahtlosen Netzes 10, wie in 1B gezeigt,
können
die Knoten 12 einen drahtlosen Zugangspunkt (access point) 12d umfassen,
der die Stationen 12a–12e mit
einem drahtlosen Netz 16 (z.B. einem lokalem Netz (local
Area Network) oder „LAN") koppelt. In dieser
Anordnung gehören
die Stationen 12a–12e zu
dem AP 12d, um einen Infrastruktur-Basisdienstsatz (Basic
Service Set; BSS) 18 zu bilden. Der AP 12d und
die Stationen 12a–12c,
die durch den AP 12d in einem gegebenen Infrastruktur-BSS
(oder einer Zelle) 18 bedient werden, kommunizieren miteinander über einen
gemeinsamen Kanal, der dem AP zugewiesen ist. Obwohl nicht gezeigt
sei darauf hingewiesen, dass das Netz 10 einen oder mehrere
oder beide Typen von Konfigurationen umfassen könnte, nämlich die IBSS und Infrastruktur-BSS-Konfigurationen.
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In
den hier beschriebenen Ausführungsformen
kommunizieren die Knoten indem drahtlosen Netz 10 miteinander
in Übereinstimmung
mit dem drahtlosen Protokoll, welches durch den IEEE 802.11 Standard
bereitgestellt wird. Der IEEE 802.11 Standard spezifiziert die Mediumzugriffssteuerung
(Medium Access Control; MAC) und die physikalischen (PHY) Charakteristiken
für WLANs.
Der IEEE 802.11 Standard ist in dem Internationalen Standard ISO/IEC
8802-111, „Information
Technology-Telecommunications
and Information Exchange Area Networks", Ausgabe 1999 definiert, der durch
Bezugnahme ins einer Gesamtheit Teil der vorliegenden Anmeldung
ist. In einer Ausführungsform
arbeiten die Netzknoten 12 insbesondere in Überstimmung mit
unterschiedlichen Datenraten.
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Bezugnehmend
auf 2 umfasst ein beispielhafter Netzknoten 12 eine
Anzahl von verschiedenen Blöcken.
Diese funktionalen Blöcke
umfassen einen LLC Unterschichtblock 22 und einen Mediumzugriffssteuerungs-Unterschicht
(MAC) Block 24, der mit einem Benutzer eines Datenstreckenschichtdienstes
eine Verbindung herstellt (angezeigt mit gestrichelten Linien durch
das Bezugszeichen 25), eine Block 26 der physikalischen
Schicht (PHY), der durch einen MAC-zu-PHY I/O Bus 28 mit
dem MAC Block 24 verbunden ist, eine analoge Frontend-Einheit
oder einen ADC 30 für
eine digital-auf-analog Umwandlung und eine drahtlose Schnittstelle 32.
Die drahtlose Schnittstelle 32 umfasst einen RF Transceiver
(Sender/Empfänger) 34 und
eine Antenne 36, die mit dem RF Transceiver 34 gekoppelt
ist. Die ADC Einheit 30 ist mit dem PHY Block 26 über ADC
I/O Leitungen 38 verbunden, und ist außerdem mit dem RF Transceiver 34 über eine
ADC-zu-Transceiver Schnittstelle 40 verbunden. Typischerweise
umfasst jeder RF Transceiver 34 seinen eigenen Empfänger zum Empfangen
von drahtlosen RF(HF) Kommunikationen von einem Terminal, einen
Sender zum Senden von drahtlosen RF Kommunikationen an eine Terminal,
und einen Mikroprozessor zum Steuern des Transceivers. Drahtlose
Kommunikationen werden durch jeden RF Transceiver 34 über seine
jeweilige Antenne empfangen und gesendet. Jeder Transceiver 34 und
jede Antenne 36 kann der Konfiguration und dem Betrieb
nach herkömmlich
sein.
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Der
Netzknoten 12 kann den Benutzer 25 des Datenstreckenschichtdienstes
umfassen oder mit einem externen Benutzer 25 des Datenstreckenschichtdienstes
gekoppelt sein. Der Bennutzer 25 des Datenstreckendienstes
soll irgendeine Einrichtung darstellen, die die Blöcke 20, 26, 30 und 32 verwendet,
um mit irgendeinem anderen Knoten auf dem drahtlosen Netz 10 oder
einem anderen Netz, mit dem das drahtlose Netz 10 verbunden
sein kann, zu kommunizieren. Die Blöcke 20, 26, 30, 32 und
(optional) 25 können
in einer einzelnen System „Box", zum Beispiel einem
Desktop-Computer mit einer integrierten Netzschnittstelle, angeordnet
sein, oder können
in getrennten Boxen vorhanden sein, z.B. könnten Blöcke 24, 26, 30 und 32 in
einem getrennten Netzadapter vorhanden sein, der mit einem Host
verbunden ist. Die Funktionalität
von Blöcken 24 und 26 können in
einem einzelnen MAC/PHY Transceiver 42 integriert sein,
wie in der Figur angedeutet. Somit stellt jeder Knoten 12 irgendeine
Kombination von Hardware, Software und Firmware dar, die an anderen
Knoten als einen einzelnen funktionale und adressierbare Einheit
auf dem Netz erscheint.
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Vorzugsweise
stimmen die Datenstreckenschicht- und die PHY Blöcke mit dem Open System Interconnect
(OSI) Modell überein,
Der Datenstreckenblock 20, der MAC Block 24, führt insbesondere
eine Datenverkapselung/Entkapselung aus, sowie eine Medienzugriffsverwaltung
für Sende-
(TX) und Empfangs- (RX) Funktionen. Vorzugsweise verwendet der MAC
Block 24 ein Verfahren der Mediumzugangssteuerung zur Kollisionsvermeidung
wie einen Trägererfassungs-Mehrfachzugriff
mit einer Kollisionsvermeidung (CSMA/CA) wie durch den oben erwähnten IEEE
802.11 Standard beschrieben. DER MAC Block 24 stellt auch
eine Protokoll Unterstützung
für eine
automatische Wiederholungsaufforderung, eine Modulation/Demodulation,
unter anderen Funktionen aus. In der beschriebenen Ausführungsform
stimmt der Betrieb des PHY Blocks 26 mit dem IEEE 802.11a
Standard überein.
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Die
Kommunikationseinheit, die zwischen Knoten ausgetauscht über das
drahtlose Medium 14 ausgetauscht wird, ist in der Form
einer PHY Protokolldateneinheit („PPDU"). Die PPDU kann eine Nutzlast umfassen,
z.B. den MAC Rahmen order PDU in Verbindung mit einem Abgrenzer
der Präambel
(Preamble) und der Rahmensteuerinformation. Eine MAC Dienstdateneineit
(MSDU) betrifft irgendeine Information, die der MAC Block für einen
Transport durch die obere Protokollschichten vorgesehen hatte (z.B.
OSI Schichten, an die die OSI MAC Schicht bereitstellt), zusammen
mit irgendeiner Managementinformation, die durch den MAC Block zugeführt wird.
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3 zeigt
eine Format einer MAC PDU (MPDU) 50, die durch den MAC
Block 24 an dem PHY Block 26 bereitgestellt wird.
Die MPDU 50 umfasst einen Körper 52 mit variabler
Länger,
verkapselt durch einen MPDU Header (Anfangsblock) 54, und
eine Rahmenprüfsequenz
(FCS) 56. Der Körper 52 entspricht
der MSDU und umfasst den Header der LLC PDU 58 und ein
Paket (Information oder Benutzerdaten) 60. Wie hier nachstehend
noch unter Bezugnahme auf die 11 und 12 diskutiert werden wird, kann die MPDU 50 die Kapazität haben
eine gesamte MSDU 52 oder nur ein Fragment der MSDU 52 enthalten.
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Vorzugsweise
unterstützt
der MAC Block 24 standardmäßige MAC Funktionen, wie eine
Einbindung in Rahmen, und stellt außerdem eine Dienstqualität sicher
und erlaubt einer zuverlässige
Rahmenlieferung durch eine Anzahl von unterschiedlichen Mechanismen.
Ferner wird ARQ verwendet, um eine Lieferung von Unicast-Übertragungen
(einseitig gerichtete Übertragungen)
sicherzustellen. Ein richtig adressierter Rahmen mit einer gültigen PHY
Rahmenprüfsequenz
wird den Empfänger
veranlassen eine positive Bestätigungs- (oder „ACK") Antwort an den
Hervorbringer zu senden. Sendende Knoten versuchen eine Fehlerwiederherstellung
durch erneutes Senden der Rahmen, von denen bekannt ist, dass sie
fehlgeschlagen sind. Ausfälle
treten als Folge von Kollisionen oder schlechten Kanalbedingungen
oder wegen des Mangels von ausreichenden Ressourcen an dem Empfänger auf.
Von Aussendungen ist bekannt, dass sie geschlagen sind, wenn eine „NACK" (für den Fall
von schlechten Kanalbedingungen) oder eine „Fehlgeschlagen" (für den Fall
von unzurechenden Ressourcen) Antwort empfangen wird. Es wird gefolgert,
dass Aussendungen wegen anderer Gründe (zum Beispiel als Folge
von Kollisionen) fehlgeschlagen sind, wenn keine Antwort-, i.e.
keine ACK, NACK, FAIL Antwort oder andere definierte Antworttypen,
die hier nicht diskutiert werden, empfangen wird, wenn eine erwartet
wird.
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Der
IEEE 802.11 Standard stellt eine detaillierte Spezifikation für die Mediumzugriffssteuerung
(MAC) und die physikalische Schicht (PHY) für WLANs bereit. In dem IEEE
802.11 ist eine PHY so entwickelt worden ist, um den existierenden
IEEE 802.11 Standard in den 5 GHz U-NII Bänder zu erstrecken. Der 802.11a
PHY ist auf das Orthogonal Frequency Domain Multiplexing (OFDM)
Verhältniss
gestützt,
welches acht verschiedene unterschiedliche PHY Moden mit Datenraten
im Bereich von 6 Mbps bis 54 Mbps bereitstellt. Die 8 PHY Moden
sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt.
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Zusätzlich zu
der Verwendung von mehreren Modulationsverfahren werden herkömmliche
Codes mir variablen Raten angewendet, um die Rahmenübertragungszuverlässigkeit
sowie die Datenrate zu verbessern.
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In
der IEEE 802.11 MAC wird der grundlegende Mechanismus zum Zugreifen
auf das Medium Verteilte Koordinationsfunktion (Distributed Coordination
Function; DCF) genannt. Sie erzielt eine gemeinsame Verwendung des
Mediums durch die Verwendung von CSMA/CA mit einem zufälligen Backoff.
Die Knoten 12 folgen zwei Mediumzugriffsregeln. Zunächst wird
einem Knoten nur dann erlaubt zu senden, wenn sein Trägererfassungsmechanismus
bestimmt, dass das Medium für
wenigstens die Zeit des verteilten Zwischenrahmenraums in Ruhe gewesen
ist. Zweitens wählt
der Knoten ein zufälliges
Backoff-Intervall (Abwägungsfenster) nach
der Zugriffsverschiebung oder vor dem Versuch wieder zu senden,
unmittelbar nach einer erfolgreichen Übertragung.
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Bezugnehmend
auf die 4A und 4B verwendet
die DCF zwei Typen von Mechanismen für eine Paketübertragung.
Ein Mechanismus ist ein grundlegendes DCF Zugriffsverfahren und
verwendet eine Zweiweg-Handshaking-Technik 70, die in 4A gezeigt.
Diese Technik verwendet eine unmittelbare Übertragung einer positiven
Bestätigung
(ACK) durch die Zielstation auf den erfolgreichen Empfang eines
Pakets von dem Sender hin. Bezugnehmend auf 4B ist
zusätzlich
zu dem grundlegenden Zugriff ein optionaler Mechanismus standardisiert
worden, der eine Vierweg-Handshaking-Technik 80 verwendet,
die bei der DCF als Aufforderung-zum-Senden (Request-to-Send; RTS)Bereit-zum-Senden
(Clear-to-Send; CTS) bezeichnet wird. Vor dem Senden einer PPDU
mit Paketdaten (hier bezeichnet als ein Datenpaket) „reserviert" ein Knoten, der
in dem RTS/CTS Mode den Kanal durch Senden eines speziellen RTS Rahmens.
Die Zielstelle, die den RTS empfangen und eine kurze Zwischenrahmenabstands-
(SIFS) Zeit gewartet haben, bestätigt
den Empfang eines RTS durch Zurücksenden
eines CTS Rahmens. Eine Datenpaketübertragung und ACK folgen,
beabstandet durch den geeigneten SIFS (wie in 4B)
gezeigt. Das RTS/CTS Verfahren erhöht das Netzbetriebsverhalten
durch Verringern der Dauer einer Kollision wenn lange Nachrichten übertragen
werden. Ferner ist das RTS/CTS Verfahren geeignet das altbekannte
Problem von „versteckten
Knoten" zu bekämpfen. Das RTS/CTS
ist eine natürliche
Wahl für
eine adaptive Codierung/Modulation weil das RTS/CTS Paar Kanalinformation
austauschen kann, bevor die Datenübertragung beginnt, so dass
eine genaue Datenadaption auftreten kann.
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Die
DCF wendet ein exponentielles Backoff-Verfahren an. Bei jeder Paketübertragung
wird die Backoff Zeit gleichmäßig in dem
Bereich (0, w – 1)
gewählt.
Der Wert „w" betrifft das Abwägungsfenster
und hängt
von der Anzahl der Übertragungen
ab, die für
das Paket fehlgeschlagen sind. Bei dem ersten Übertragungsversuch wird w gleich
zu einem minimalen Abwägungsfensterwert „aCWmin" gesetzt. Nach jeder
erfolgreichen Übertragung
wird w bis zu einem maximalen Wert „aCWmax" verdoppelt. Der Backoff-Timer wird
so lange dekrementiert wie der Kanal als in Ruhe erfasst wird, wird „eingefroren" wenn eine Übertragung
auf dem Kanal erfasst wird, und reaktiviert, wenn der Kanal wieder
als in Ruhe erfasst wird, und zwar für mehr als eine DIFS. Der Knoten
sendet, wenn die Backoff-Zeit Null erreicht. Wie aus den 4A–4B ersichtlich
werden einige Zusatzteile wie ein PHY Zusatz, ACK und Backoff hinzugefügt, um ein
Paket erfolgreich zu senden. Wenn die Datenrate ansteigt ist ein
derartiger Zusatz relativ konstant. Somit wird der Zusatz für Strecken
mit hohen Raten signifikant.
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Wie
vorstehend erwähnt
unterstützt
der MAC Block 24 eine Fragmentierung, einen Prozess zum
Aufteilen einer MSDU oder einer MAC Management Protokoll Dateneinheit
(Management Protokoll Data Unit; MMPDU) in kleinere MPDUs. Eine
Fragmentierung verbessert die Chancen einer Rahmenzuführung bei schlechten
Kanalbedingungen. Somit kann eine MSDU, die an dem MAC Block 24 ankommt,
durch ein oder mehrere Fragmente ersetzt werden, die von der Größe der MSDU
abhängen.
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5 illustriert
einen Fragmentierungsmechanismus 90, bei dem eine MSDU 52 in
mehrere MSDU Teile 92 aufgeteilt wird. Die mehreren MSDU
Teile (Abschnitte) 92 werden in mehreren Fragmente 92 verkapselt.
Die mehreren MSDU Abschnitte 92 werden in mehrere Fragmente 94 verkapselt.
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Wenn
eine MSDU von dem LLC Unterschichtblock 22 empfangen wird
oder eine MMPDU von der MAC Unterschichtmanagementeinheit (nicht
gezeigt) mit einer Länge
größer als
die Fragmentierungsschwelle empfangen wird, dann wird die MSDU und
MMPDU fragmentiert. Die MPDUs, die sich aus der Fragmentierung einer
MSDU und MMPDU ergeben, werden als unabhängige Übertragungen gesendet, wobei
jede getrennt bestätigt
wird. Dies erlaubt, dass Übertragungsneuversuche
pro Fragment und nicht pro MSDU oder MMPDU auftreten.
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Die 6A und 6B zeigen
die Verwendung von RTS/CTS für
Rahmenfragmente. Insbesondere zeigt 6A eine
standardmäßige (erfolgreiche)
MAC Fragmentübertragung 100,
in der Fragmente nacheinander übertragen
werden, wobei jedes Fragment getrennt bestätigt wird. Jeder Rahmen enthält Information, die
die Dauer der nächsten Übertragung
definiert. Die Dauerinformation von RTS Rahmen wird verwendet, um den
Netz-Zuordnungs-Vektor (Network Allocation Vektor) zu aktualisieren,
um beschäftigt
(busy) bis zu dem Ende der ACK0 anzuzeigen. Die Dauerinformation
von dem CTS Rahmen wird auch verwendet, um den NAV zu aktualisieren,
um beschäftigt
bis zu dem Ende der ACK0 anzuzeigen. Das Fragment0 als auch die
ACK0 (Bestätigung)
enthalten eine Dauerinformation, um den NAV zu aktualisieren, um
beschäftigt
(busy) bis zu dem Ende der ACK1 anzuzeigen. Diese Aktualisierung
verwendet das Dauer/ID Feld in den Fragment (Daten) und ACK Rahmen.
Diese Aktualisierung wird bis zu dem letzten Fragment fortgesetzt,
das eine Dauer von einer ACK Zeit plus einer SIFS Zeit aufweist,
und seine ACK, die ihr Dauer/ID Feld auf Null gesetzt hat, werden übertragen.
Jeder Rahmen und jede ACK wirkt deshalb als eine virtuelle RTS/CTS.
Keine weiteren RTS/CTS Rahmen müssen
erzeugt werden nach den anfänglichen
RTS/CTS, die die Rahmenaustauschsequenz begonnen hat.
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6B zeigt
eine fehlgeschlagene Übertragung 110.
In dem dargestellten Fall, bei dem eine Bestätigung gesendet wird, aber
von dem Quellenknoten nicht empfangen wird, markieren die Knoten,
die das Fragment0 oder ACK0 hören,
den Kanal für
den nächsten
Rahmenaustausch als beschäftigt
(busy), und zwar als Folge davon, dass der NAV für diese Rahmen aktualisiert
worden ist. Der Quellenknoten muss sich wieder für den Kanal bewerben und das
fehlerhafte Fragment erneut übertragen.
Wenn eine Bestätigung
durch den Zielknoten nicht gesendet wird aktualisieren Knoten, die
den Zielknoten nur hören
können,
ihren NAV nicht und können
versuchen auf den Kanal zuzugreifen, wenn ihre NAV Aktualisierung
von dem vorher empfangenen Rahmen Null erreicht. Alle Knoten, die
den Quellenknoten hören,
sind frei auf den Kanal zuzugreifen, nachdem ihr NAV, der von dem
gesendeten Fragment aktualisiert wurde, abgelaufen ist.
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Der
Einfluß von
MAC/PHY/Neuübertragungszusätzen (Overheads)
auf das Verhalten des Netzsystems wird nun betrachtet werden. Um
die Analyse zu vereinfachen sei angenommen, dass nur ein Knoten
gerade aktiv sendet. Deshalb gibt es keine Kollisionen auf dem drahtlosen
Medium. Zusätzlich
sein angenommen, dass es für
jeden fehlerhaften Rahmen keine Grenze für erneute Versuche gibt. Schließlich sein
angenommen, das der ACK Rahmen bei der niedrigstens mögliche Rate übertragen
wird.
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Alle
Felder, die zu dem MAC Overhead (Zusatz) für einen Datenrahemn beitragen,
sind in 28–34
Oktetten insgesamt.
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7A zeigt
das Format eines Datenrahmens 120 mit näheren Einzelheiten. Der Datenrahmen 120 umfasst
die folgenden Felder: Rahmensteuerung 121; Dauer/ID 122;
drei Adressenfelder 123–125; Seqquenzsteuerung 126;
eine vierte Adresse 127. Der Datenrahmen umfasst ferner
den Rahmenkörper 52 und
die Rahmenprüfsequenz
(FCS), gezeigt in 3. 7B zeigt
das Format eines ACK Rahmen 130. Der ACK Rahmen 130 umfasst
ein Rahmensteuerfeld 132, ein Dauerfeld 134, ein
RA Feld 136, sowie das FCS Feld 56.
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8 zeigt
das Format einer PPDU 140. Die PPDU umfasst eine OFDM PLCP
Präambel 142,
einen OFDM PLCP Header 144, eine PSDU 146, Endbits 148 und
Auffüll-(Pad)-Bits 149.
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Aufgrund
der Definition der 7–8 ist
die Übertragungsdauer
für ein
L-Oktette langes Paket, welches über
die IEEE 802.11a physikalische Schicht (implementiert durch den
PHY Block 26) unter Verwendung eines PHY Modes m übertragen
werden soll, folgendermaßen: Tm(L)
= tPLCP Preamble + tPLCP Header + [(32 + L)BpS(m)]tSymbol Gleichung (1)
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die ACK bei der niedrigsten Rate, z.B.
BpS(m) = 3 übertragen
wird. Somit ist die ACK Dauer: TACK = tPLCPPreamble +
tPLCPHeader + 6tSymbol Gleichung
(2)
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Für das 2-Weg-Handshaking-Verfahren
ist die gesamte Übertragungsdauer: T2-way(m,
L) = Tm (L) + SIFS + TACK Gleichung (3)während das
4-Weg Handshaking-Verfahren mehr Overhead (Zusatz) erfordert. T4-way =
Tm(L) + TRTS + TCTS + TACK + 3SIFS Gleichung (4)wobei
TRTS = TACK + 2tSymbol
und TCTS = TACK ist.
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Weil
keine Kollision vorhanden ist ist auch das Backoff-Fenster immer
aCWmin. Der Backoff-Timer startet
nicht, bis die vorangehende Übertragung
für DEFS
geendet hat. Deshalb ist die durchschnittliche Ruhezeit zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Übertragungen
folgendermaßen: Iavg =
DIFS + (aCW min)/2 a Schlitzzeit Gleichung
(5)
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Der
durchschnittliche Nutzdurchsatz can folgendermaßen approximiert werden: G2-way(m)
= [8L/(Iavg + T2-way)]Pm(L) Gleichung
(6)und G4-way(m) = [8L/(Iavg + T4-way)]Pm(L) Gleichung (7)wobei
Pm(L) die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Übertragung
eines L-Oktett langen Pakets an dem PHY Mode m ist. Der Ausdruck „Nutzdurchsatz" bezieht sich auf
den effektiven Durchsatz, der von dem Benutzer gesehen wird.
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Eine
Fragmentierung einer gegebenen MSDU kann einen großen Overhead
(Zusatz) hervorbringen. Andererseits kann eine Verschiebung einer
Fragmentierung auf sehr große
MSDUs mehr Bandbreite als Folge von Übertragungsfehlern verschwenden
als wahrscheinlich in großen
MSDUs auftreten. Wenn der IEEE 802.11 MAC und PHY Overhead gegeben
ist, zusammen mit den SIFS Intervallen und ACK, dann ist die effektive Übertragungszeit
eines Fragments: Tfrag(L) = Tpl + Tovhd = Tm(L) + TACK + 2SIFS Gleichung (8)
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Die
Nutzlastübertragungszeit
ist: Tpl(L)
= [L/BPS(m)]tSymbol Gleichung
(9)und die Overheadübertragungszeit
ist: Tovhd =
2SIFS + TACK + tPLCPPreamble + tPLCPHeader
+ [32BpS(m)]tSymbol Gleichung
(10)oder ungefähr: (24
+ [32BpS(m)])tSymbol
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Für eine Anzahl
von Fragmenten „N" eines Pakets der
Länge L
ist der Nutzdurchsatz deshalb: G(L, N) = [Tpl(L/N)]/[Trfrag(L/N) + Iavg]RP(L/N,
R) Gleichung (11)
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Somit
kann die optimale Fragmentgröße gefunden
werden, um den Nutzdurchsatz zu maximieren, in Übereinstimmung mit der obigen
Gleichung. Sie ist eine Funktion der Coderate und des Kanal-SNR.
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Die 9-11 illustrieren
die Robustheit der Fragmentierung gegenüber der Spektrumeffizienz. Für die acht
verfügbaren
Moden ist der Nutzen der Fragmentierung ziemlich begrenzt in additiven
Kanälen
mit weißem
Gauss'schen Rauschen
(AWGN). 9 zeigt den Durchsatz des IEEE
801.11a Modes 3 (QPSK Modulation mit einer ½-Raten
Codierung) mit verschiedenen Fragmentgrößen. Es ist ersichtlich, dass
eine kleinere Fragmentgröße zu Fragmenten
mit einer besseren Paketfehlerrate (PER) führt, aber die Fragmentierung verursacht
einen beträchtlichen
Overhead. Zum Beispiel kann eine Fragmentgröße von 575 Oktetten bis zu 20%
Durchsatzverlust im Vergleich mit einer Fragmentgröße von 4600
Oktetten verursachen. Mit einer Codierung/Modulation mit einer höheren Rate
ist der Verlust sogar noch höher
wegen des bei der Codierung/Modulation invarianten Overheads. Wie
in 10 gezeigt ist der Verlust ungefähr 40% für einen
IEEE 802.11 Mode 6 (16QAM Modulation mit einer ¾ Raten-Codierung). Die Ergebnisse
zeigen, dass es wünschenwert
ist große Fragmente
zu verwenden, wenn es das SNR erlaubt. Wegen des geringeren PER
des kleineren Fragments gibt es jedoch gewöhnlicherweise einen 2–3db SNR
Spielraum mit einer gewissen Beeinträchtigung des Durchsatzes. Somit
kann die Fragmentgröße verringert
werden, wenn das SNR marginal ist, um einen glatten Übergang
zu garantieren. Ergebnisse für
den Durchsatz einer adaptiven Codierung/Modulation mit variablen Fragmentgrößen (nicht
gezeigt) schlagen vor, dass der dominante Faktor für den Durchsatz
die Coderate ist und, dass die Fragmentgröße eine gewisse Feinabstimmung
für eine
gegebene Coderate bereitstellen kann.
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Eine
andere Funktion der Fragmentierung besteht darin eine Einfluss eines
versteckten Knotens zu vermeiden, indem die Fragmentgröße verringert
wird. Wenn ein Knoten unter dem Einfluss eines versteckten Knoten
ist, werden Rahmen, die ihm gesendet werden, verloren gehen und
müssen
neu übertragen
werden. Es wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeit der Zeitperiode „T", in der ein Knoten
unter dem Einfluss eines versteckten Knotens ist, Ph ist.
Da die minimale Fragmentübertragungszeit
,26-35tSymbol' ist,
in Abhängigkeit
von der Datenrate, wird dann der Term Ph definiert
als die Wahrscheinlichkeit des Einflusses eines versteckten Terminals
während
einer 25tSymbol Zeitperiode Th. Für eine Fragmentübertragungszeit
NTh ist deren Fehlerwahrscheinlichkeit wegen
eines versteckten Terminals Pf = 1 – (1 – Ph)N. Je länger
die Paketlänge
ist, desto größer ist
die Wahrscheinlichkeit, dass der Knoten durch versteckte Knoten
zerstört
wird. Weil Ph zu der Übertragungszeit
gehört,
können
unterschiedliche Datenraten Pf beeinflussen.
Die Tabelle 2 zeigt die Nutzlastübertragungszeit
in Einheiten von Symbolen und insbesondere die Anzahl von OFDM Symbolen,
die benötigt werden,
um 1 kbytes von Daten und 4 kbytes von Daten bei unterschiedlichen
Ratenmodes zu übertragen.
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Die Übertragungszeit
kann durch Th geteilt werden, um eine Nutzlastübertragungszeit
in Einheiten von Th zu ergeben, wie nachstehend
in Tabelle 3 gezeigt.
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Aus
der Tabelle 3 lässt
sich ersehen, dass für
den oberen Produktbereich der Datenraten-Modes (> 18 Mbps) die Paketübertragungs-Zeit nicht wesentlich
größer als
der feste Overhead ist. Somit würde
eine Fragmentierung gegenüber
versteckten Knoten nicht mehr Schutz bereitstellen, und zwar unabhängig davon, welche
Fragmentierungsgröße verwendet
wurde. Da ein großer
Overhead durch eine Fragmentierung auferlegt werden kann, könnte es
für Modes
mit diesen Raten hilfreich sein eine Fragmentierung für Pakete
größer als
1k Bytes durchzuführen.
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Soweit
ist nur der Einfluß der
Fragmentierung betrachtet worden. Ein anderer wichtiger Parameter
ist die Paketverzögerung.
Jedoch hängt
die Paketverzögerung
von den Aktivitäten
der anderen Knoten ab. Wenn a Übertragung
fehlerhaft ist, muss es neu übertragen
werden. Eine erneute Übertragung
erfordert, dass der Knoten wieder mit anderen Knoten für einen
Zugriff wettstreitet. Die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Übertragungen
kann der Hauptteil der Verzögerung
sein. Während
es schwierig ist eine derartige Übertragungszwischenzeit
zu bestimmen ist es möglich
die Neuübertragungswahrscheinlichkeit
des Knotens zu begrenzen, um eine extensive Paketverzögerung zu
vermeiden. Wiederum sind die Rateadaption und die Fragmentierung
Werkzeuge, um die Paketfehlerrate einzustellen. Für das System
mit N Fragmenten mit PER PN ist die erwartete
Neuübertragung D = NPN/(1 – PN) Gleichung
(12)
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Die
optimale Rate und die optimale Fragmentierungsgröße können unter der Randbedingung
D < Do bestimmt
werden.
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Aus
der obigen Analyse lässt
sich ersehen, dass der Nutzen der Fragmentierung sich Moden mit
unterschiedlichen Raten verändert.
Somit is es möglich
unterschiedliche Fragmentierungsgrößen bei Moden mit unterschiedlichen
Raten zu setzen oder eine Fragmentierung überhaupt nicht zu verwenden.
Die Wahl der Grenze sollte Faktoren wie das SNR (Sgnal-zu-Rausch-Verhältnis)„ den Einfluß von versteckten
Knoten und die Verzögerungs-Randbedingung
berücksichtigen.
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Der
Mechanismus der vorliegenden Erfindung setzt die MAC Fragmentierungsschwelle
auf Grundlage des Ratenmodus und anderer Faktoren, wie beispielsweise
des Einflusses von versteckten Terminals, und stellt sie auf Grundlage
von diesen Faktoren ein. Das Verfahren bestimmt die Fragmentierungsschwelle
für jede
Datenrate. Der Fragmentierungs-Overhead und das Betriebsverhalten
der Paketneuübertragungen
und der Nutzdurchsatzes werden berücksichtigt, um die optimale
Schwelle zu wählen.
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Der
Mechanismus kann auch mit einer adaptiven Ratenauswahl kombiniert
werden, um die optimale Kombination Rate-Fragmentierung zu wählen. Die
ist möglich,
weil die Fragmentierungsschwelle der Fragmentierung der Parameter
ist, um den Fragmentierungsprozess zu aktivieren.
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11 zeigt
einen beispielhaften Transceiver 42, der konfiguriert ist,
um eine Einstellung der Fragmentierungsschwelle und der Rate an
den MAC und PHY Schichten zu verwenden. Wie gezeigt umfasst der MAC
Block 24 einen Fragmentierungsprozess 150 und
einen Steuerspeicher 152, der einen Wert für die Fragmentierungsschwelle
(oder die Fragmentierungsgröße) speichert.
Der Fragmentierungsprozess 150 empfängt eine MSDU von dem LLC Unterschichtblock 22 und
teilt die MSDU, um mehrere MPDU Fragmente zu erzeugen, wenn die
MSDU Größe größer als
die Fragmentierungsschwelle ist. Der MAC Block 24 stellt
die MPDU Fragmente an der PHY Einheit 26 für eine Übertragung
bereit. Der PHY Block 26 umfasst einen Controller 154, einen
Kanalschätzer
(CE) 156 und eine Sende- (TX)/Empfangs- (RX) Einheit 158.
Die TX/RX Einheit 158 arbeitet nach der IEEE 802.11a PHY
und führt
derartige Funktionen wie eine FEC Codierung/Decodierung, Modulation/Demodulation,
IFFT/FFT und so weiter aus. In einem Sendemodus erzeugt die TX/RX 158 PDUs
aus den MPDU Fragmenten und sendet die PPDUs auf das Medium (über den
ADC 30 und den RF Transceiver 34), und zwar in
der Form von OFDM Symbolen. In dem Empfangsmodus empfängt die
TX/RX Einheit 158 die ankommenden OFDM Symbole und stellt
Paketdaten von den OFDM Symbolen an dem MAC Block 24 und Paketdateninformation
an dem CE 156 bereit. Die Paketdateninformation kann die
Paketdaten und/oder Information, die von den Paketdaten durch eine
FFT oder eine andere PHY RX Verarbeitung abgeleitet wird, umfassen.
Der Controller 154 steuert und koordiniert die Aktivitäten der
TX/RX Einheit 158 und des CE 156. Zusätzlich steuert
der Controller einen Einsteller 160, der adaptiv die Fragmentierungsschwelle
(gespeichert in dem Steuerspeicher 152 eines anderen Knotens,
d.h. eines Senderknotens) und die Datenrate des PHY Modus (ebenfalls
des Senderknotens) auf Grundlage einer Eingabe, die von dem CE 156 empfangen
wird, einstellt. In einer Ausführungsform
umfasst dieser Eingang einen SNR Messwert 162 und einen
Wert, der die Fehlerwahrscheinlichkeit (oder Kollisionswahrscheinlichkeit „CP") 164 auf
Grundlage des Einflusses eines versteckten Knotens anzeigt. Der
CE 156 schätzt
einen SNR Wert auf Grundlage von Steuercharakteristiken ab, die
aus der empfangenen Paketdateninformation bestimmt werden. Der CE 156 verwendet
die ACK Verlustrate als Anzeige über
die Kollisionswahrscheinlichkeit. Weil der ACK bei der niedrigsten
Datenrate übertragen ist
es dann, wenn sie verloren geht, am wahrscheinlichsten, dass ihr
Verlust die Folge einer Kollision anstelle von Kanalrauschen ist.
Andere Techniken können
verwendet werden, um auch das CP zu messen. Der CP 156 stellt
die SNR und CP Information an dem Controller 154 und insbesondere
an dem Wähler 160 bereit, der
die Information verwendet, um eine optimale Kombination der Fragmentierungsschwelle
und der Daten rate 166 zu wählen. Der Einsteller 160 findet
die beste Kombination durch Bestimmen, welche Kombination den Nutzdurchsatz
maximiert, während
gleichzeitig Verzögerungsrandbedingungen
erfüllt
werden. Wie vorher diskutiert, und insbesondere unter Bezugnahme
auf Gleichung (11), ist der Nutzdurchsatz und die Verzögerungsrandbedingung
Funktionen der zu bestimmenden Parameter (das heißt, der
Datenrate und der Fragmentierungsschwelle) und der gemessenen Parameter
(SNR sowie CP als Folge des Einflusses von versteckten Knoten).
Bei gegebenen gemessenen Parametern ist die Bestimmung der optimalen
Parameter die Prüfung aller
möglicher
Kombinationen der Datenrate und der Fragmentierungsschwelle (z.B.
8 Datenraten für
die 8 PHY Moden und eine vorgegebene Anzahl von Fragmentierungsschwellen)
für die
Kombination, die den höchsten
Durchsatz bereitstellt, während
auch bestimmte Verzögerungsrandbedingungen
berücksichtigt
werden, wie vorher erwähnt.
Somit kann der Einsteller 160 als eine Nachschlagtabelle
arbeiten. Sobald der Einsteller 160 die geeignete Wahl
der Datenrate und der Fragmentierungsschwelle bestimmt werden die
Werte der neuen Fragmentierungsschwelle und der neuen Datenrate
an dem Senderknoten (über
einen Steuerrahmen oder irgendeinen anderen Mechanismus) bereitgestellt.
Der Controller des Senderknotens kann dann den gespeicherten Fragmentierungsschwellwert 153 (der
anfänglich
auf Grundlage der Datenrate gespeichert wurde) mit dem neuen Wert über ein
Fragmentierungs-Aktualisierungssignal 170 aktualisieren
(oder alternativ macht er den gegenwärtigen Wert an der MAC Einheit
für eine
derartige Aktualisierung verfügbar)
und kann die Datenrate an der TX/RX Einheit 158 über ein
Datenraten-Aktualisierungssignal 172 bereitstellen. Es
sei darauf hingewiesen, dass die Funktionalität der Einsteller nicht unbedingt
in der PHY Einheit liegen muss. Diese Funktion könnte in der MAC Einheit oder
anderswo ausgeführt
werden.
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Somit
kann eine Einstellung der Fragmentierungsschwelle und der Datenrate
verwendet werden, um ein optimales Nutzdurchsatzverhalten in einem
IEEE 802.11a drahtlosen Netz zu erreichen. Während diese Technik das Nutzdurchsatz-Verhalten
maximiert kann sie erweitert werden, um andere Messungen des Betriebsverhaltens,
z.B. des Durchsatzes, PER und so weiter, genauso zu optimieren.
Während
sich die obige Beschreibung auf Randbedingungen bezieht, die auf
die Verzögerung
bezogen sind, könnten
die Randbedingungen auch auf andere Faktoren bezogen sein, z.B.
das PER.
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Andere
Ausführungsformen
sind innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.
