DE60301585T2

DE60301585T2 - Multisprungnetzwerk zum Übertragen von Paketen deren Größe durch die Anzahl der Sprünge bestimmt wird

Info

Publication number: DE60301585T2
Application number: DE2003601585
Authority: DE
Inventors: Koichi Ebata
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: EP1347601B1; EP1424818B1; DE60301585D1; US7532629B2; EP1347601A2; JP2003273788A; DE60301606T2; DE60301606D1; US20030174652A1; EP1347601A3; EP1424818A1; JP4535661B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Multisprungnetzwerke. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen fallweise ein autonomes drahtloses Netzwerk auf einer Anzahl von drahtlosen Knoten gebildet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einem herkömmlichen Multisprungnetzwerk wird eine Meldung in eine Anzahl von Paketen einer vorbestimmten Größe segmentiert und an einen Übertragungsknoten übertragen, bei dem die Pakete in einer Schlange eingereiht werden, um darauf zu warten, auf einer Erster-rein-Erster-raus-Basis bedient zu werden. Wenn der QoS-Parameter (Quality of Service; Dienstgüte) für eine Anwendung spezifiziert wird, werden die Pakete entsprechend der Priorität der QoS-Parameter eingereiht, um die spezifizierte Güte der Anwendung sicherzustellen.
Da die Pakete an jedem Übertragungsknoten des Netzwerkes bearbeitet werden, sind die Paketgröße und die Bearbeitungsverzögerung die bestimmenden Faktoren des Durchsatzes T des Netzwerkes, der durch eine Verkehrsgröße (Paketrufgröße) S_c geteilt durch die Latenzzeit bestimmt ist, d. h. die Zeit, die alle Pakete benötigen, um von einer Quelle zu einem Ziel zu gelangen. Insbesondere ist die Latenzzeit die Summe der Zeit, die die Quelle benötigt, um alle Pakete außer dem letzten zu senden, und der Zeit, die das letzte Paket benötigt, um von der Quelle zu dem Ziel zu gelangen, gegeben durch (m – 1) S_p/R + H S_p/R, wobei m die Gesamtzahl der Pakete ist, S_p die Paketgröße ist, H die Sprungzahl ist und R die Verbindungsgeschwindigkeit ist. Wenn die Verzögerungszeit D die Bearbeitung eines Paketes an jedem Knoten betrifft, ist die Gesamtlatenzzeit gleich (m – 1) S_p/R + (H – 1) D, und der Durchsatz T ist gegeben durch T = S_c/{(m – 1) S_p/R + H·S_p/R + (H – 1) D}, was bedeutet, dass der Durchsatz als eine Funktion der Paketgröße variabel ist.
Unter der Annahme, dass die Verkehrsgröße, durch eine abgeschnittene Pareto verteilte Zufallsvariable modeliert ist, die eine durchschnittliche Verkehrsgröße von 25 Kbyte erzeugt (Gestaltparameter α = 1,1 und Skalierungsparameter k = 4,5 Kbyte, siehe 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Technical Specification Group Radio Access Network, Physical Layer Aspect of UTRA High Speed Downlink Packet Access, Release 2000), und unter der Annahme, dass keine Bearbeitungsverzögerungen auftreten, variiert der Durchsatz des herkömmlichen Multisprungnetzwerkes als eine Funktion der Paketgröße wie in 1A dargestellt. Daher kann ein derartiges Multisprungnetzwerk, bei dem die Paketgröße fest ist, nicht einen maximalen Durchsatz für alle Sprungzahlen sicherstellen, was unter den Routen der verschiedenen Sprungzahlen eine "Durchsatzlücke" ergibt.
Wenn die Paketgröße und die Verbindungsgeschwindigkeit jeweils konstant auf 300 Okteten und 100 Mbps gehalten werden, variiert der Durchsatz des herkömmlichen Netzwerkes als Funktion der Bearbeitungsverzögerung wie in 1B gezeigt. Somit variiert mit der Sprungzahl die Paketgröße, die den Durchsatz maximiert. Hinsichtlich der Übertragung und der Bearbeitungsverzögerugen erzeugt das herkömmliche drahtlose Multisprungnetzwerk auch eine "Durchsatzlücke" unter den Routen der verschiedenen Sprungzahlen. Aufgrund ihrer großen Übertragungs- und Bearbeitungsverzögerung ist dieses Problem wesentlich für Routen mit hoher Sprungzahl.
Eine angepasste Rahmenlängensteuerung offenbaren Lettieri P. et al. in IEEE Infocom 1998 auf den Seiten 564–571. Entsprechend einer Anzahl von Faktoren wird die Rahmengröße optimiert, und entsprechend den aktuellen Kanalbedingungen wird die Paketgröße bestimmt. Durch die variable Rahmengrößen können der effektive Übertragungsbereich und die Übertragungsleistung verbessert werden.
Lee M. et al. offenbaren in IEEE 2001 auf den Seiten 537 bis 543 ein wahlweises Gruppenrufprotokoll und einen Netzwerkknoten. Jeder Knoten des Netzwerkes enthält eine Routentabelle mit einem Sprungzahlenfeld. Die Sprungzahl wird zum Finden der Route verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Multisprungnetzwerk bereitzustellen, bei dem der Durchsatz für jede Route maximiert ist, indem die Daten in Pakete entsprechend der Sprungzahl der Route segmentiert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Multisprungnetzwerk bereitzustellen, bei dem die Pakete, die zur Übertragung über eine Route empfangen wurden, in eine Schlange aus einer Anzahl von Schlangen eingereiht, die der Sprungzahl der Route entspricht, und entsprechend der Sprungzahl der Schlangen gelistet werden.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch einen Netzwerkknoten nach dem unabhängigen Anspruch 1 oder durch ein Kommunikationsverfahren für ein Multisprungnetzwerk nach dem unabhängigen Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche behandeln vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird detailliert unter Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
1A ist eine graphische Darstellung des Durchsatzes des herkömmlichen Multisprungfunkzugriffnetzwerks, die als eine Funktion der Paketgröße für verschiedene Sprungzahlen aufgetragen ist.
1B ist eine graphische Darstellung des Durchsatzes des herkömmlichen Multisprungfunkzugriffnetzwerkes, die als eine Funktion der Bearbeitungsverzögerung für verschiedene Sprungzahlen aufgetragen ist.
2 ist ein Blockdiagramm des drahtlosen Multisprungnetzwerkes der vorliegenden Erfindung, das die Details eines drahtlosen mobilen Knotens darstellt.
3 ist eine Darstellung einer Routentabelle eines drahtlosen Knotens, die für die Paketübertragung zu nutzen ist.
4 ist eine Darstellung einer Abbildungstabelle des drahtlosen Knotens, die in Kombination mit der Routentabelle von 3 zu nutzen ist.
5 ist eine Darstellung einer Route des drahtlosen Knotens, die zur Wiederholung von Paketen zwischen Nachbarknoten zu nutzen ist.
6 ist ein Flussdiagramm für den Betrieb eines Ausgangsknotens.
7 ist ein Flussdiagramm für den Betrieb eines Durchgangsknotens.
Detaillierte Beschreibung
In 2 ist ein drahtloses Multisprungnetzwerk der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das drahtlose Netzwerk, das ein autonomes, wahlweises Netzwerk oder ein Zugriffsnetzwerk sein kann, weist eine Anzahl von drahtlosen Knoten auf, die durch drahtlose Verbindungen verbunden sind und die entsprechend durch die Buchstaben A bis E bezeichnet werden. Wenn das Netzwerk ein wahlweises Netzwerk ist, sind die drahtlosen Knoten mobile Kno ten. Wenn es ein Zugriffsnetzwerk ist, sind die drahtlosen Knoten Zellenorte oder Basisstationen, die jeweils eine drahtlose Verbindung zwischen den mobilen Anschlussgeräten, die sich in ihrem eigenen Funkbereich befinden, mit einem Draht gebundenen Hauptnetzwerk bereitstellen.
Es sei angenommen, dass die drahtlosen Knoten mobile Knoten sind, um als ein Ausgangsknoten zur Übertragung von Paketen oder als ein Durchgangsknoten zur Wiederholung von Paketen zwischen benachbarten drahtlosen Knoten zu arbeiten. In dem gezeigten Beispiel dient der mobile Knoten A als ein Durchgangsknoten, wenn Pakete zwischen den Nachbarknoten B und D wiederholt werden.
Jeder mobile Knoten enthält einen Sende-Empfangs-Abschnitt 10 und einen Durchgangsabschnitt 20. Der Sende-Empfangs-Abschnitt 10 enthält eine Benutzerschnittfläche 11, an die Benutzerdaten und eine Anfrage zur Übertragung einschließlich der Zielknotenadresse eingegeben werden. Die eingegebene Anfrage wird der Steuerung 12 zugeführt, und die Benutzerdaten werden an ein Segmentierungsmodul 15 übertragen.
Die Steuerung 12 ist mit einer Routentabelle 13 und einer Abbildungstabelle 14 verbunden. Wie in 3 gezeigt, bestimmt die Routentabelle 13 eine Anzahl von Routen und entsprechende Sprungzahlen. Jede der bestimmten Routen identifiziert einen nächsten Knoten zu einem Zielknoten. Die Routentabelle 13 wird erzeugt, indem die Knoten jeweils Steuerpakete mit Nachbarknoten in periodischen Intervallen austauschen, und sie wird jeweils dann aktualisiert, wenn eine Veränderung stattgefunden hat.
Die in 4 gezeigte Abbildungstabelle 14 bestimmt die Beziehungen zwischen den Sprungzahlen und den entsprechenden Paketgrößen. In dieser Tabelle werden die Sprungzahlen durch fortlaufende Nummern bezeichnet. Es ist zu beachten, dass die Abbildungstabelle 14 basierend auf den Daten des Durchsatzes gegenüber der Paketgröße von 1A erzeugt wurde. Wenn die Sprungzahl 2 ist, beträgt der Spitzendurchsatz 0,9, und die Paketgröße ist 300 Oktetten. Für eine gegebene Sprungzahl, die durch die Routentabelle 13 be stimmt ist, stellt daher die Paketgröße der Abbildungstabelle 14 jeweils einen Spitzenpunkt der Kurve des Durchsatzes gegenüber der Paketgröße für die gegebene Sprungzahl dar.
In Antwort auf die Anfrage zur Übertragung von der Benutzerschnittstelle 11 durchsucht die Steuerung 12 die Routentabelle 13 nach einer Route zu dem Zielknoten und bestimmt die Sprungzahl der Route. Diese Sprungzahl wird dann als Schlüssel benutzt, um die Abbildungstabelle 14 nach einer entsprechenden Paketgröße zu durchsuchen.
Die Steuerung 12 führt die bestimmte Paketgröße dem Segmentierungsmodul 15 zu. Das Segmentierungsmodul 15 teilt die Benutzerdaten von der Benutzerschnittstelle 11 in eine Anzahl von Datensegmenten. In einem Paketierer 16 werden die Datensegmente jeweils in ein Paket eingekapselt, das für die Zielknotenadresse bestimmt ist, und von einer drahtlosen Schnittstelle 17 an das Netzwerk übertragen. Bei einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann der Kopfteil des Paketes zusätzlich zu der Ursprungsadresse und der Zieladresse eine Sprungzahl enthalten, die von dem Segmentierungsmodul 15 bestimmt wurde.
Signale von dem Netzwerk werden von der drahtlosen Schnittstelle 17 empfangen. Wenn das empfangene Signal ein eingehender Paketruf ist, wird es der Steuerung 12 zugeführt und auf einem Anzeigepenal 18 angezeigt. Wenn das empfangene Signal ein Durchgangssignal von einem Nachbarknoten ist, wird es einem Paketanalysator 21 des Durchgangsabschnittes 20 zugeführt. Eine Routentabelle 22 ist mit dem Paketanalysator 21 verbunden.
Wie in 5 gezeigt, bestimmt die Routentabelle 22 eine Anzahl von Ursprung-zu-Zielrouten und entsprechende Sprungzahlen. Auf eine der Routentabelle 13 ähnlicher Weise wird die Routentabelle 22 erzeugt, indem die Knoten jeweils Steuerpakete mit Nachbarknoten in periodischen Intervallen austauschen, und sie wird jeweils dann aktualisiert, wenn eine Veränderung stattgefunden hat.
In Antwort auf ein Durchgangspaket von einem Nachbarknoten untersucht der Paketanalysator 21 dessen Kopfteil und durchsucht die Routentabelle 22 nach einer Sprungzahl, die der Ursprungsadresse und der Zieladresse entspricht, die in dem Kopfteil des Paketes ent halten sind. Der Paketanalysator 21 reiht das Durchgangspaket in eine aus einer Anzahl von Schlangen 23 ein, die der Sprungzahl entspricht, die in der Routentabelle 22 für das empfangene Paket erfasst wurde. Die Pakete, die in den Schlangen 23 gespeichert sind, werden an die drahtlose Schnittstelle 17 in absteigender Reihenfolge der Sprungzahl weitergeleitet, d. h. auf eine gewichtete Rundum-Weise (Round Robin). Daher werden Pakete höherer Sprungzahl früher als Pakete niedrigerer Sprungzahl übertragen. Die Zeitablaufplanung der priorisierten Pakete nach dem gewichteten Rundumverfahren hat die Wirkung, dass vorteilhafterweise die Verzögerungszeitunterschiede verringert werden, die andernfalls zwischen den verschiedenen Routen aufgrund der verschiedenen Sprungzahlen auftreten können.
Wenn ein Durchgangspaket eine Sprungzahl enthält, die von dem Ursprungsknoten bestimmt wurde, benutzt der Durchgangsknoten diese Sprungzahl, um das Paket in die Schlangenpuffer 23 einzureihen. In diesem Fall ist die Routentabelle 22 nicht notwendig.
Da die Paketgröße basierend auf der Sprungzahl der Ursprung-zu-Zielroute so bestimmt wird, dass der Durchsatz maximal ist, kann die "Durchsatzlücke" unter den Routen mit verschiedenen Sprungzahlen beseitigt werden.
Jeder drahtlose Knoten kann mit einer CPU ausgeführt sein. In diesem Fall können die Paketübertragung (Ursprungsknoten) und die Wiederholfunktionen (Durchgangsknoten) der Knoten jeweils nach dem Flussdiagrammen der 6 und 7 erreicht werden.
Wenn ein drahtloser Knoten als ein Ursprungsknoten dient, beginnt in 6 der Ablauf mit einem Entscheidungsschritt 31, um zu prüfen, ob Benutzerdaten zu übertragen sind. Wenn dies der Fall ist, fährt der Ablauf mit Schritt 32 fort, um eine Suche in der Routentabelle 13 nach einer Sprungzahl durchzuführen, die der nächst-zu-Zielroute der Benutzerdaten entspricht. Unter Bezug auf die Abbildungstabelle 14 bestimmt im Schritt 33 der Ursprungsknoten eine Paketgröße, die der Sprungzahl entspricht. Im Schritt 34 werden die Benutzerdaten entsprechend der Paketgröße segmentiert. Die segmentierten Daten werden paketiert (Schritt 35) und übertragen (Schritt 36).
Wenn ein drahtloser Knoten als ein Durchgangsknoten dient, beginnt in 7 der Ablauf mit einem Entscheidungsschritt 11, um zu prüfen, ob ein Paket von einem Nachbarknoten empfangen wurde. Wenn dies der Fall ist, fährt der Ablauf mit dem Schritt 42 fort, um eine Suche in der Routentabelle 22 nach einer Sprungzahl durchzuführen, die der Ursprung-zu-Zielroute des empfangenen Paketes entspricht. Im Schritt 43 reiht der Durchgangsknoten das Paket in einen Schlangenpuffer 23 ein, der der Sprungzahl entspricht. Im Schritt 44 werden die Pakete, die in den Puffern 23 gespeichert sind, zur Übertragung entsprechend den Prioritäten zusammengestellt, die den Sprungzahlen entsprechen.

Claims

Netzwerkknoten (A) für ein Multisprungnetzwerk, wobei der Netzwerkknoten einer aus einer Anzahl von Netzwerkknoten (A, B, C, D, E) des Multisprungnetzwerkes ist, der aufweist: Fragmentierungsmittel (15, 16), um Daten in eine Anzahl von Paketen zu segmentieren, und Übertragungsmittel (17), um die Pakete an das Netzwerk zu übertragen, gekennzeichnet durch: eine erste Tabelle (13), um eine Anzahl von Sprungzahlen auf eine Anzahl von Routen von dem Netzwerkknoten (A) auf alle Zielknoten des Netzwerkes abzubilden, wobei die Routen jeweils eine Route von einem nächsten Knoten zu einem Zielknoten darstellen, eine zweite Tabelle (14), um eine Anzahl von Paketgrößen auf die Anzahl von Sprungzahlen so abzubilden, dass die Paketgrößen invers mit der Sprungzahl varieren, um jeweils den Durchsatz der Routen zu erhöhen, und Steuermittel (12, 21) zum Austauschen von Steuerpaketen mit anderen Netzwerkknoten (B, C, D, E), um die Routen der ersten Tabelle (13) zu erhalten, und um in Abhängigkeit von einer Anfrage zur Datenübertragung eine Sprungzahl aus der ersten Tabelle (13) zu bestimmen, die einer Route der Anfrage entspricht, und um eine Paketgröße aus der zweiten Tabelle (14) zu bestimmen, die der bestimmten Sprungzahl entspricht, und wobei die Fragmentierungsmittel (15, 16) angepasst sind, die Daten nach der Paketgröße zu segmentieren, die durch die Steuermittel (12) bestimmt wurde.
Netzwerkknoten (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (12) angepasst sind, Steuerpakete mit anderen Netzwerkknoten (B, C, D, E) auszutauschen, um eine Anzahl von Ausgang-Ziel-Adressenpaaren zu erhalten, dass eine Anzahl von Puffern (23) vorgesehen sind, die jeweils den Ausgang-Ziel-Adressenpaaren entsprechen, dass die Übertragungsmittel (17) Übertragungs-/Empfangsmittel (17) sind, um weiter Pakete zu empfangen, wobei jeweils die Größe der empfangenen Pakete einer Sprungzahl entspricht, die die Anzahl der Netzwerkknoten anzeigt, die von den Paketen gesprungen wurden, dass eine Routentabelle (22) vorgesehen ist, um die Anzahl der Ausgang-Ziel-Adressenpaare, die durch die Steuermittel (12) erhalten wurden, auf eine Anzahl Sprungzahlen abzubilden, indem Steuerpakete mit anderen Netzwerkknoten (B, C, D, E) ausgetauscht werden, und dass zweite Steuermittel (21) vorgesehen sind, um eine Suche in der Routentabelle (22) in Abhängigkeit von jeweils einer Anzahl von Paketen durchzuführen, die von dem Netzwerk empfangen wurden, um eine Sprungzahl zu erfassen, die einem Paar einer Ausgangsadresse und einer Zieladresse entspricht, und um die Pakete in einen Puffer (23) zu speichern, der der erfassten Sprungzahl entspricht, die in den empfangenen Paketen enthalten ist, und um die Pakete aus den Puffern (23) in absteigender Reihenfolge der Sprungzahl zu übertragen.
Netzwerkknoten (A) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmittel (17) eine drahtlose Schnittstelle ist, um eine drahtlose Verbindung mit einem Nachbarknoten aufzubauen.
Netzwerkknoten (A) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Schnittstelle angepasst ist, eine drahtlose Verbindung mit einem mobilen Anschluss aufzubauen.
Netzwerkknoten (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Netzwerkknoten ein drahtloser, mobiler Knoten ist.
Verfahren zur Kommunikation für ein Multisprungnetzwerk, das eine Anzahl von Netzwerkknoten (A, B, C, D, E) aufweist, wobei die Netzwerkknoten jeweils eine Fragmentation der Daten in eine Anzahl von Paketen und eine Übertragung der Pakete an das Netzwerk durchführen, gekennzeichnet durch: a) Austauschen von Steuerpaketen mit anderen Netzwerkknoten (B, C, D, E), um Informationen über eine Anzahl von Routen von dem Netzwerkknoten (A) an alle Zielknoten des Netzwerkes zu erhalten, und Abbilden einer Anzahl von Sprungzahlen auf die Anzahl der Routen in einer ersten Tabelle (13), wobei die Routen jeweils eine Route von einem nächsten Knoten zu dem Zielknoten darstellen, b) Abbilden der Anzahl von Sprungzahlen auf eine Anzahl von Paketgrößen in einer zweiten Tabelle (14) so, dass die Paketgrößen invers mit den Sprungzahlen variieren, um den Durchsatz der Routen jeweils zu maximieren, c) Bestimmen, in Abhängigkeit von einer Anfrage zur Übertragung der Daten, einer Sprungzahl aus der ersten Tabelle (13), die einer Route der Anfrage entspricht, und Bestimmen einer Paketgröße aus der zweiten Tabelle (14), die der bestimmten Sprungzahl entspricht, und d) Durchführen der Fragmentierung, indem die Daten in eine Anzahl von Paketen entsprechend der bestimmten Paketgröße segmentiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte: e) Austauschen von Steuerpaketen mit anderen Netzwerkknoten (B, C, D, E), um eine Anzahl von Ausgang-Ziel-Adressenpaaren zu erhalten, und Abbilden der Anzahl der Ausgang-Ziel-Adressenpaare auf eine Anzahl von Sprungzahlen in einer Routentabelle (22), f) Empfangen von Paketen von dem Netzwerk, wobei jeweils die Größe der empfangenen Pakete einer Sprungzahl entspricht, die die Anzahl der Netzwerkknoten anzeigt, die von den Paketen gesprungen wurden, g) Durchführen einer Suche in einer Routentabelle (22) in Abhängigkeit der empfangenen Pakete nach einer Sprungzahl, die einem Paar von Ausgangs- und Zieladressen entspricht, die jeweils in den empfangenen Paketen enthalten sind, h) Speichern der empfangenen Pakete in einen von einer Anzahl von Puffern (23), der der erfassten Sprungzahl entspricht, und i) Rückübertragen der Pakete aus den Puffern (23) in absteigender Reihenfolge der Sprungzahlen.