DE60318322T2 - Verfahren zur durchführung einer drahtlosen vermittlung - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein drahtloses LAN-System (WLAN) mit mehreren angeschlossenen Benutzern, insbesondere das Schalten von WLAN-Systemen, um Kollisionen zu vermeiden.
  • Hintergrund
  • WLAN-Systeme nutzen nicht lizenzierte Bänder für die drahtlose Kommunikation. Übertragungen eines drahtlosen LAN-(WLAN-)Kommunikationssystems können von einem bestimmten Endgerät an ein gewünschtes Ziel, entweder ein anderes Endgerät in dem gleichen Grunddienstsystem (BSS) oder Backbone- bzw. Hauptnetz, aber immer innerhalb des gleichen Trägers, erfolgen. Es gibt zwei Betriebsarten für WLAN-Systeme: Ad-hoc und Infrastruktur. In der Ad-hoc-Betriebsart können Endgeräte miteinander in einer Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt-Weise sprechen. In der Infrastruktur-Betriebsart wirkt ein Zugangspunkt (AP) als eine Basisstation, um die Übertragungen zwischen Benutzern zu steuern, wodurch ein drahtloses Punkt-zu-Mehrpunkt-Netz bereitgestellt wird. Da in einem WLAN alle Benutzer das gleiche Medium gemeinsam nutzen, wird die Infrastruktur-Betriebsart für halbschwer und schwer ausgelastete Netze effizienter.
  • In einer Infrastruktur-Betriebsart kommuniziert das Endgerät zuerst mit dem AP, wenn es Daten an ein gewünschtes Zielendgerät sendet. Der AP leitet seinerseits die Information an das gewünschte Ziel über oder leitweglenkt es dorthin. Folglich steuert in dieser Betriebsart ein AP eines WLAN-Kommunikationssystems die Übertragungen innerhalb eines BSS oder einer Zelle.
  • Medienzugriffssteuerungs-(MAC-)Protokolle sind definiert, um die Kanalausnutzung für WLAN-Nutzer zu koordinieren, die das Band gemeinsam nutzen. Diese MAC-Protokolle basieren auf der Vermeidung von Kollisionen zwischen Benutzern, während mehrere Benutzer gleichzeitig auf den Kanal zugreifen. Die Wirksamkeit eines Protokolls wird durch die erfolgreiche Vermeidung von Kollisionen beurteilt.
  • Zwei von WLAN verwendete Protokolle sind das CSMA/CA-MAC- und das CSMA/CD-Ethernet-Protokoll. Beide Protokolle können den Träger nach anderen Übertragungen abtasten. Ein Ethernet kann auf verschiedene Weise, einschließlich mit Ethernet-Hubs (Netzknoten) und Ethernet-Switches (Schalter), angeschlossen werden. Ein Ethernet-Hub konzentriert die Verbindungen in einem zentralen Punkt als eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung ohne Auswirkung auf die Leistung. Ein Ethernet-Switch arbeitet jedes Mal, wenn ein Paket von einem Endgerät ankommt. Der Schalter liest die Zieladresse, erfährt, mit welchem Port sie verbunden ist und stellt eine direkte Verbindung zwischen den zwei physikalischen Ports her. Der Vorteil des Ethernet-Switch ist, daß die MAC keinen Benutzer in dem Medium abtastet, was die Leistung durch eine verringerte Wahrscheinlichkeit für Kollisionen und einen verbesserten Durchsatz im Vergleich zu einem Ethernet-Hub verbessert. Ein Ethernet-Hub leitet ein empfangenes Paket, selbst wenn es nur einen vorgesehenen Empfänger gibt, an alle Benutzer weiter. Der Hub schaut Adreßinformationen nicht an. Der Ethernet-Switch sendet das Paket nur direkt an das vorgesehene Ziel, was eine effizientere Nutzung der verfügbaren Bandbreite ergibt.
  • Ein üblicher WLAN-AP ist nicht fähig, gleichzeitig mehr als eine Trägerfrequenz zu nutzen, was eine geringe Protokolleffizienz ergibt. Ethernet-Switches haben bewiesen, daß sie die Effizienz des Ethernet-Protokolls beträchtlich verbessern.
  • Das Dokument XP-10376001A offenbart ein Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen zwischen Benutzern basierend auf Medienzugriffssteuerungsprotokollen unter Verwendung von Richtantennen.
  • Was benötigt wird, ist daher ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines drahtlosen Punkt-zu-Mehrpunkt-Netzes, wenn die Endgeräte das gleiche Medium gemeinsam nutzen.
  • Zusammenfassung
  • Ein drahtloses LAN-(WLAN-)System, für Kommunikationen zwischen mehreren Benutzern in einem Grunddienstsystem oder einer Zelle, das einen Schaltzugangspunkt (SAP) zum Senden und Empfangen von Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationen an die und von den Benutzern aufweist. An dem SAP sind mehrere Ports verfügbar, von denen jeder eine eindeutige Trägerfrequenz zugewiesen hat, um Kommunikationen zwischen den Benutzern zu trennen, um Kollisionen zu vermeiden, mit der Fähigkeit zur nicht permanenten Frequenzzuweisung und einer Fähigkeit zur dynamischen oder pseudo-zufälligen Trägerzuweisung. Eine alternative Ausführungsform des SAP verwendet Strahlbündelformung, um räumliche Ports für Zuweisungen an die Vielzahl von Benutzern bereitzustellen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung(en)
  • 1A zeigt ein Systemdiagramm eines WLAN mit Frequenzträger-Ethernet-Ports.
  • 1B zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Benutzerendgeräts und eines Schaltzugangspunkts unter Verwendung von Frequenzträger-Ethernet-Ports.
  • 2A zeigt ein Systemdiagramm eines WLAN mit räumlichen Ethernet-Strahlports.
  • 2B zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Benutzergeräts und eines Schaltzugangspunkts unter Verwendung räumlicher Ethernet-Strahlports.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1A zeigt ein System, welches das Ethernet-Switch-Prinzip auf einen Zugangspunkt (AP) anwendet, was ei nen Mehrfrequenzbetrieb zuläßt, so daß der AP ein Schaltzugangspunkt (SAP) 106 wird. Frequenzträger f1–f5 werden als verschiedene Ports in dem SAP behandelt, von dem Benutzerendgeräte 101–105 in einer gesteuerten Weise einen zentralisierten Zugang zu den Frequenzträgern f1–f5 haben.
  • Wie in 1A gezeigt, wird jedes Benutzerendgerät 101–105 einem Frequenzträger f1–f5 zugewiesen, und der SAP 106 ist fähig, jeden Träger f1–f5 zu senden und zu empfangen. Um eine permanente Zuweisung von Trägern f1–f5 an jedes Benutzerendgerät 101–105 zu vermeiden, können zwei Ansätze verwendet werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist es wünschenswert, wenn auch nicht unerläßlich, Träger nicht permanent an Benutzerendgeräte 101–105 zuzuweisen. Eine nicht permanente Zuweisung vermeidet das Zuweisen einer Frequenz an ein Endgerät, das keine Daten sendet. Wenn es mehr Endgeräte als verfügbare Frequenzen gibt, kann ein Endgerät, das Daten zu senden hat, davon abgehalten werden, dies zu tun, wenn das Endgerät, das permanent eine Frequenz zugewiesen hat, sie nicht verwendet.
  • Ein dynamisches Trägerzuweisungs-(DCA-)Schema kann angewendet werden, bei dem Benutzerendgeräte 101–105 eine Sendeaufforderung (RTS) auf einem gemeinsam genutzten Träger senden und der SAP dann mit einer Sendefreigabe (CTS), die anzeigt, daß der Träger für die Übertragung verwendet werden kann, antwortet.
  • Alternativ kann ein Frequenz-Hopping bzw. Hüpfschema verwendet werden, in dem Benutzerendgeräte 101–105 eine pseudo-zufällige Folge zum Wechseln von Trägern haben, die den Benutzerendgeräten 101–105 und dem SAP 106 von vornherein bekannt ist, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, daß zwei Benutzerendgeräte gleichzeitig den gleichen Träger verwenden. Für ein bevorzugtes WLAN, das gemäß dem aktuellen 802.11b-Standard entwickelt ist, werden drei Träger für das Frequenz-Hopping verwendet. Für den 802.11a-Standard werden acht Träger für das Frequenz-Hopping verwendet. Das drahtlose Schalt- bzw. Vermittlungssystem 100 kann DCA und Frequenz-Hopping entweder getrennt oder kombiniert verwenden.
  • 1B ist eine Darstellung eines bevorzugten Benutzerendgeräts und eines SAP unter Verwendung mehrerer Frequenzen. Der SAP 106 hat eine Frequenzzuweisungsvorrichtung 120 zum Zuweisen von Frequenzen (Frequenzports) an die Benutzerendgeräte 101–105. Ein Mehrfrequenzempfänger 118 empfängt Daten, die von den Endgeräten 101–105 unter Verwendung des zugewiesenen Frequenzports gesendet wurden. Ein Mehrfrequenzsender 116 sendet Daten unter Verwendung der zugewiesenen Frequenz des Zielendgeräts von einem Endgerät an ein anderes. Der Mehrfrequenzsender 116 überträgt die Frequenzzuweisung bevorzugt auch an die Endgeräte 101–105. Eine Antenne 122 oder eine Antennenanordnung wird verwendet, um Daten von dem SAP 106 über die drahtlose Schnittstelle 124 zu senden und zu empfangen.
  • Die Endgeräte 101–105 haben einen Mehrfrequenzempfänger 114 zum Empfangen der Frequenzzuweisung und stellen die über die zugewiesene Frequenz des Endgeräts übertragenen Daten wieder her. Eine Frequenzsteuerung 108 verwendet die empfangenen zugewiesenen Frequenzen, um die Sende- und Empfangsfrequenzen des Endgeräts 101–105 zu steuern. Ein Mehrfrequenzsender 110 sendet die Daten über die zugewiesene Frequenz.
  • 2A zeigt eine alternative Ausführungsform der drahtlosen Vermittlung, indem jedes Benutzerendgerät 201–205 einem räumlichen Port anstatt einer bestimmten Frequenz zugewiesen wird. Wie in 2A gezeigt, werden räumliche Strahlen b1–b5 durch Strahlbündelformung erzeugt und können als Ports verwendet werden, um Benutzerendgeräte 201–206 voneinander zu trennen. Der SAP 206 erkennt die Zieladresse jedes Benutzerendgeräts 201–205 und ordnet jeder Adresse einen Strahl zu. Der SAP 206 ist fähig, gleichzeitig mehr als einen Strahl zu empfangen.
  • 2B ist eine Darstellung eines bevorzugten Benutzerendgeräts und SAP, der räumliche Strahlen verwendet. Der SAP 206 hat eine Strahlsteuerung 220 zur Bestimmung, welcher Strahl (räumliche Port) einem bestimmten Benutzer zugeordnet ist. Die Steuerung 220 stellt einem Strahlbündel formungssender 216 und einem Strahlbündelformungsempfänger 218 die Strahlinformation bereit, so daß für ein gegebenes Endgerät der passende räumliche Port verwendet wird. Eine Antennenanordnung 214 wird verwendet, um Daten über die drahtlose Schnittstelle 222 zu senden und zu empfangen.
  • Die Endgeräte 201–205 haben einen Strahlbündelformungsempfänger 210 zum Empfangen übertragener Daten unter Verwendung einer Antennenanordnung 212. Ein Strahlbündelformungssender 208 wird verwendet, um Daten unter Verwendung der Anordnung 212 an den SAP 206 zu übertragen.
  • Obwohl die Systemkonfigurationen von 1A, 1B, 2A und 2B fünf Benutzerendgeräte zeigen, kann jede Anzahl von Benutzerendgeräten verwendet werden. Die Absicht ist, den Umfang der Systemfähigkeiten darzustellen, nicht diese zu begrenzen oder einzuschränken. Die drahtlosen Vermittlungssysteme von 1A und 2A können getrennt oder kombiniert verwendet werden. Zur Veranschaulichung können die Benutzergeräte 101–105 durch eine Kombination aus räumlichem Strahl und Frequenz unterschieden werden. Die drahtlosen Vermittlungssysteme von 1A und 2A können auf Systeme angewendet werden, die Direct Sequence (DS) WLAN- und orthogonale Frequenzteilungsmultiplex-(OFDM-)WLAN-Systeme umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.

Claims (6)

  1. Drahtloses LAN-, WLAN-System, für Kommunikationen zwischen mehreren Benutzern in einem Grunddienstsystem oder einer Zelle, das aufweist: einen Schaltzugangspunkt SAP (106, 206) zum Senden und Empfangen von Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikationen an die und von den Benutzern; und eine Vielzahl von Benutzerendgeräten, von denen jedes einem in dem Schaltzugangspunkt verfügbaren Port zugewiesen wird und eine eindeutige Kombination aus einer Trägerfrequenz und einem räumlichen Strahl definiert, um Kommunikationen zwischen Benutzern zu isolieren, um Kollisionen zu vermeiden; wobei die Zuweisung von Frequenzen nicht permanent ist und statt dessen eine dynamische oder pseudo-zufällige Trägerzuweisung vorgenommen wird, in der auf empfangene Sendeaufforderungen von den Benutzern in einem gemeinsam genutzten Träger mit Sendefreigabesignalen von dem SAP (106, 206) geantwortet wird, welche den Träger anzeigen, der für die Sendung verwendet werden kann.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Sendefreigabesignale eine den Benutzern zugewiesene Frequenz anzeigen.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die Sendefreigabesignale eine den Benutzern zugewiesene pseudo-zufällige Trägerzuweisung anzeigen.
  4. System nach Anspruch 1, wobei die pseudo-zufällige Trägerzuweisung durch Frequenz-Hopping bzw. Hüpfen der Benutzer entlang einer Folge wechselnder Träger erreicht wird, wobei diese Folge den Benutzern und dem SAP von vornherein bekannt ist.
  5. Drahtloses LAN-, WLAN-Benutzerendgerät (101–105, 201–205), das aufweist: einen Mehrfrequenzsender zum Senden einer Sendeaufforderungsnachricht und zum Senden von Daten über eine zugewiesene eindeutige Kombination aus räumlichem Strahl und Sendeträger; einen Mehrfrequenzempfänger zum Empfangen einer Sendefreigabenachricht über eine erste Frequenz und zum Empfangen von Daten über eine zugewiesene eindeutige Kombination aus räumlichem Strahl und Sendeträger; und eine Frequenzsteuerung, die betriebsbereit mit dem Mehrfrequenzempfänger verbunden ist, zum Bestimmen des zugewiesenen Sende- und des zugewiesenen Empfangsträgers des Benutzerendgeräts unter Verwendung des Sendefreigabesignals.
  6. WLAN-Benutzerendgerät nach Anspruch 7, wobei das Sendefreigabesignal eine pseudo-zufällige Sende- und Empfangsträgerzuweisung anzeigt.
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