DE69427611T2

DE69427611T2 - Mehrfachzugriffsverfahren für mobile integrierte lokale Netze

Info

Publication number: DE69427611T2
Application number: DE69427611T
Authority: DE
Inventors: Hamid Ahmadi; Amotz Bar-Noy; Ilan Kessler; Arvind Krishna
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2014-04-16
Also published as: JPH06334594A; DE69427611D1; US5613198A; CA2113750A1; EP0622925A1; EP0622925B1; CA2113750C; JP2660189B2

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zum dynamischen Zuteilen von Bandbreite an Zellen in einem Mobilfunknetz.

Der Erfindung zugrundeliegender allgemeiner Stand der Technik

Betrachten wir eine drahtlose, ortsveränderliche, lokale Netzwerkumgebung, die zahlreiche tragbare Kleinleistungs- Personalcomputer oder Kommunikationsvorrichtungen unterstützt. Als Annahme sollen die tragbaren Personalcomputer eine Menge von Kommunikationsdienstleistungen mit Hochdatenrate- Applikationen im Bereich von interaktiven Daten mit Sprechfähigkeit bis Multimedia unterstützen. Der geographische Bereich Unterteilt sich aus zwei Hauptgründen in kleine Zellen. Erstens, die Leistungseinschränkungen mobiler Terminals diktieren den maximalen Bereich der drahtlosen Kommunikation. Zweitens, kleine Zellen erlauben größere räumliche Wiederverwendung der Kommunikationsbandbreite als größere Zellen. Jeder Zelle zugeordnet sind eine Funkbasisstation und eine in der Zeit veränderliche Population von Mobilstationen. Diese Struktur, siehe Fig. 1, bietet sich an für eine Zellenstruktur, in der ortsveränderliche und Funkbasisstationen über einen drahtlosen Kanal miteinander kommunizieren. Die Funkbasisstationen kommunizieren miteinander über einige stationäre Hochgeschwindigkeits-Hintergrundnetze. Betrachten wir beispielsweise die Umgebung eines Industriewerks, bestehend aus mehreren Bürogebäuden. Die Gebäude unterteilen sich in Zellen und die Zellen sind über irgendein Hintergrundnetz, wie z. B. ein verdrahtetes LAN, miteinander verbunden. Tragbare Terminals können sowohl in Hausinneren als auch außerhalb mit einer begrenzten Reichweite (z. B. 50 m) arbeiten und haben drahtlosen Zugriff auf die Funkbasisstationen im Hintergrundnetz. Jeder drahtlose Kanal im Netz wird von vielen Mobilstationen gemeinsam benutzt. Zusätzlich wird in Bereichen, in denen sich die Zellen verschiedener Funkbasisstationen überlappen, der drahtlose Kanal von zwei oder mehr Funkbasisstationen benutzt. Damit eine zuverlässige und wirksame Kommunikation zwischen den Mobilstationen und dem festen Hintergrundnetz ermöglicht wird, muss also ein Mehrfachzugriff-Protokoll angewandt werden.
Ganz allgemein kann jeder Mehrfachzugriffsplan für Mobilfunknetze unterteilt werden in die Interzellen-Reihe und die Intrazellen-Reihe. Die Interzellen-Reihe stellt sicher, dass sich die Übertragungen von Anwendern aus unterschiedlichen Zellen innerhalb jedes Teilnetzwerks (z. B. LAN, WAN) gegenseitig nicht stören. Diese Reihe des Mehrfachzugriffsplans ist im wesentlichen eine Koordination zwischen den Funkbasisstationen. Die Intrazellen-Reihe stellt sicher, dass sich innerhalb jeder Zelle des Netzes die Übertragungen aller Anwender, die in der gleichen Zelle sind, gegenseitig nicht stören. Diese Reihe des Mehrfachzugriffsplans ist im wesentlichen eine Koordinierung zwischen den ortsbeweglichen Anwendern, die innerhalb der gleichen Zelle sind.
Dabei tritt in solchen Umgebungen das folgende Problem auf. Eine grundlegende, zwingende Voraussetzung in jedem drahtlosen Kommunikationssystem ist, dass das gesamte verfügbare Spektrum, das die Kommunikationskapazität des Systems bestimmt, vorgegeben und fest ist. Zum Beispiel regelt die FCC die Verwendung des Spektrums in den Vereinigten Staaten. Das Problem ist, wie die Bandbreite für jede Zelle und für jeden Anwender auf bedarfsgesteuerter Grundlage zuzuteilen ist, so dass sowohl (i) der Gesamtdurchsatz als auch (ii) die zur Verfügung stehende Spitzenrate je Anwender maximiert werden.
Die wohlbekannten Lösungen auf dem Stand der Technik fallen unter zwei Kategorien. Die erste Kategorie ist FDMA (Frequency Division Multiple Access - Vielfachzugriff im Frequenzmultiplex) [3, 6], in dem zwei benachbarte Zellen immer unterschiedene Frequenzbänder aufweisen, in denen sie zwischen den Funkbasisstationen und den ortsbeweglichen Einheiten kommunizieren. Die Beschränkung bei dieser Lösung ist, dass die Kommunikationsbandbreite zu klein werden kann, um eine hinreichende Anzahl unterschiedlicher Frequenzbänder aufnehmen zu können. Die zweite Kategorie ist TDMA (Time- Division Multiplex Access - Zeitmultiplex mit Vielfachzugriff) [3, 4, 6], in dem alle Zellen das gleiche Frequenzband benutzen und die Sender/Empfänger in zwei benachbarten Zellen niemals gleichzeitig aktiv sind. Die Beschränkung bei dieser Lösung ist, dass jeder Sender/Empfänger für eine kurze Zeitspanne mit einer unzulässig hohen Rate kommunizieren muss, die Koordinationsprobleme zwischen benachbarten Zellen bewirkt. Erwünscht wäre eine Lösung, die die obigen Beschränkungen vermeidet. Hinweise [1, 3, 5, 7] beschreiben einschlägige Arbeiten für Zwischenzellen-Mehrfachzugriffspläne für Drahtlosnetzwerke.
USP 5,185 739, erteilt an Spear, offenbart ein Verfahren zur effizienten Nutzung von Frequenzrahmen durch gemeinsame Benutzung von Rahmen einer bestimmten Frequenz durch die Funkbasisstationen. Jedoch ist die bei Spear beschriebene Zuteilung fest und nicht bedarfsgesteuert.
Die US Patentanmeldung, Nr. 785,643, entsprechend IBM Docket Nr. Y0991-148, angemeldet am 31. Oktober 1991 durch den Zessionar der vorliegenden Patentanmeldung, erteilt am 3. November 1992, ausgegeben als Patent USP 5,210,753 am 11. Mai 1993, offenbart die Festlegung einer maximalen Menge unabhängiger Zellen, die zu Beginn aktiviert werden, während andere Zellen, die nicht in dieser unabhängigen Menge sind, auf Wartezustand gesetzt werden.
US Patent 5,655,090 abgetreten an den Zessionar der vorliegenden Anmeldung, offenbart ein Verfahren zur Festlegung steuernder Funkbasisstationen in überlappenden Zellen.
USP 4,144,411, erteilt an Frenkiel, offenbart ein Verfahren der Zuteilung von Frequenzkanälen in einem Mobilfunknetz mit Zellen unterschiedlicher Größe.
USP 5,093,925, erteilt an Chanroo, offenbart die Zuordnung von Frequenzen für Telefonverbindungen in einer dreidimensionalen Schaltungsanordnung zum Minimieren der Gleichkanalstörung.
USP 3,632,885, erteilt an Herold, offenbart, wie eine Bodenstation auf einem Kanal, der einer anderen Bodenstation zugeordnet ist, Daten übertragen kann, wenn diese Bodenstation nicht über ihren eigenen Kanal sendet.
USP 4,949,395, erteilt an Rydbeck, offenbart ein Verfahren zur dynamischen Zuordnung von Zeitschlitzen auf der Intrazellenebene und nicht auf der Interzellehebene.
USP 5,029,165, erteilt an Chol et al. offenbart den Begriff der Clusters von Signallinks, die einem gemeinsamen Übertragungspunkt vom Kanaltyp in einem gemeinsamen Kanalsignalisierungssystem zugeordnet sind.
Die Japanische Patentanmeldung 63-298775 von Atsushi Murase offenbart ein mobiles Mehrfachradiozonen- Mobilkommunikationssystem, in dem ein Dienstleistungsbereich gleichzeitig von einer Anzahl kleiner Radiozorien und einer großen Radiozone abgedeckt wird, wobei jede Zone ihre eigene Funkbasisstation hat.
EP-A-0 483 545 offenbart ein Ablaufsteuerungsverfahren zur wirksamen Frequenzwiederholungsanwendung in einem Vielzellen- Drahtlosnetzwerk, das von einem verdrahteten örtlichen Bereichsnetzwerk bedient wird. Durchschnittsfremde Gruppen von Kopfstationen sind vorbestimmt. Diese vorbestimmten Gruppeninformationen werden unterhalten von einem Netzwerk- Controller, der dann später selektiv die Kopfstationen innerhalb der verschiedenen Gruppen aktiviert.
EP-A-0 210 698 behandelt die Zuteilung von Bandbreite in Mobilfunknetzen, insbesondere durch dynamisches Zuteilen von Bandbreite an einzelne Zellen je nach Anforderung durch den Anwender.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ein Vielfachzugriffsprotokoll in zwei Reihen. Im ersten Reihe sind die Zellen gruppiert in disjunkte Zellengruppen, die nachsehende als Superzellen bezeichnet werden. Der erste Reihe behandelt auch die Probleme der Bandbreitenzuteilung und mehrfachen Zugriff unter den Superzellen. Der zweite Reihe behandelt dynamische Bandbreitenzuteilung und Ablaufplanung unter beweglichen Anwendern und Zellen innerhalb einer Superzelle. Die vorgeschlagene Ablaufplanung für diese Ebene kann benutzt werden entweder mit HF oder IR als zugrundeliegender Bitübertragungsschicht-Technolologie. Dieses Schema ist geeignet für die Implementierung entweder direkt mit HF oder mit HF oben auf einem gedehnten Spektrum-Modulationsschema.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung vor ein Verfahren und ein Gerät gemäß den Ansprüchen 1 und 4 zum Zuteilen von Kommunikationsbandbreite an Zellen in einem Mobilfunknetz. Die Erfindung umfasst: Erstens, das Bilden von disjunkten Zellengruppen zum Minimieren von Störungen zwischen Zellen, zweitens, Zuteilen eines entsprechenden Kanals der Kommunikationsbandbreite für jede der gebildeten Gruppen, und schließlich Zuteilung der Bandbreite innerhalb eines jeden der Kanäle an die Zellen einer entsprechenden Gruppe, der der Kanal zugewiesen ist, wobei die Bandbreite jedes Kanals zugeteilt wird auf Anwender-Anforderung in Zellen einer entsprechenden Gruppe.
Die jeder mobilen Einheit und jeder Funk-Basisstation zugeordnete Bandbreite ist bedarfsgesteuert. Das ist erforderlich zur Unterstützung der Mobilstationen mit hohen Spitzenraten (Mgabits/s) oder paketvermittelndem Verkehrsprofil, wie z. B. aus einer plattenlosen Workstation, Client-Server-Modell, Multimedia und Graphikanwendungen, die einen durchgehend hohen Durchsatz für lange Perioden erfordern. Ferner verlangen die Schwankungen der Populationsdichte für jede Zelle adaptive Zuteilungen, um eine wirksame Anwendung der Bandbreite zu erzielen.
Innerhalb jeder Zelle plant die Funkbasisstation sowohl die Aufwärtsstreckenkanäle (von den Mobilstationen zur Fünkbasisstation) als auch die Abwärtsstreckenkanäle (von der Funkbasisstation zu den Mobilstationen) in einer dynamischen Art und Weise, und stellt sicher, dass sie getrennt sind.
Diese Trennung ist notwendig für die Operation des Planungs- Algorithmus sowie für den störungsfreien Betrieb der Radiosender und der -empfänger.
Steuer- und Datenkanäle sind getrennt, sowohl in Aufwärtsstrecken- als auch in Abwärtsstreckenkanälen. Diese Trennung erfolgt rechtzeitig, so dass die Größe der Bandbreite, die jedem Teil zugeordnet ist, adaptiv angeglichen werden kann. Ferner wird die Last der komplexen Steueraufgaben mehr auf die Basisstationen gelegt als auf die Mobilstationen. Das ist bedeutsam, weil die Mobilstationen eine beschränkte Leistungsfähigkeit haben.
Schneller Zugriff und Unparteilichkeit: Das impliziert, dass die Mobilstationen eine schnelle Zugriffsfähigkeit haben wenn immer sie senden müssen. Gleichzeitig ist die Zuteilung unparteilich in dem Sinn, dass keine Basisstation mehr Zuteilungen bekommt als irgendeine andere Basisstation in irgendeinem Zeitfenster.
Innerhalb jeder Superzelle erfolgt die Bandbreitenzuteilung via TDMA-Planung (Zeitvielfachzugriff - Time Division Multiple Access) mit räumlicher Wiederverwendung. Das heißt, nicht überlappende Zellen werden über die gleichen Zeitrahmen verplant, um höhere Bandbreitenwirksamkeit zu erreichen. Auch können Zellen mit einer höheren Population und stärkeren Verkehrsanforderungen mehr Bandbreite erhalten als Zellen mit kleinerem Verkehr. Basisstationen, die mit mehreren ortsbeweglichen Anwendern verkehren müssen, erhalten größere Zuteilungen an Steuerkanälen als Basisstationen, die nur mit wenigen ortsbeweglichen Anwendern verkehren müssen. Ferner kann für jede Basisstation das Verhältnis der Zuteilung an Steuerkanälen zur Zuteilung an Datenkanälen sich zeitlich je nach Bedarf verändern.
Intrazellen-Bandbreitenzuteilung ist eine Kombination aus sich auf Buchung gründender TDMA und Direktzugriff.
Die Motivierung hinter der Zwei-Reihen-Lösung geht auf entweder technische, wirtschaftliche oder Regelungszwänge zurück, Wenn z. B. der gesamte durchführbare Durchsatz einer Basisstation auf 10 Mbps beschränkt ist, jedoch die gesamte zuteilungsfähige Bandbreite größer ist, dann ist es effizienter, die gesamte Bandbreite in 10 Mbps-Teile aufzuteilen. Auf diese Weise kann jeder 10 Mbps-Teil in der zweiten Reihe auf flexible und dynamische Art zugeteilt werden. Insbesondere, wenn die gesamte Bandbreite viel größer ist als 10 Mbps, kann jede Superzelle aus nur einer Zelle bestehen (in welchem Fall das Schema eine reine FDMA ist (Frequenzvielfachzugriff - Frequency Division Multiple Access)).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der allgemeinen Umgebung, in der die Erfindung implementiert ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von vierzehn Zellen, die in zwei Superzellen oder Gruppen unterteilt sind.
Fig. 3 illustriert schematisch die Zuteilung der Bandbreite des Kanals der Superzelle 1 auf die Zellen in Superzelle 1 und die Bandbreite des Kanals für die Superzelle 2 auf die Zellen in Superzelle 2.
Fig. 4 illustriert schematisch die Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstrecken-Kanäle zwischen den Basisstationen und den Mobilstationen.
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das die Sammlung der Anwenderanforderungen und die Zuteilung von Bandbreite an Zellen in einer Supergruppe illustriert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Superzellen-Reihe

In Fig. 1 wird die allgemeine Umgebung gezeigt, in der die Erfindung implementiert ist. Gezeigt wird das Hintergrundnetz 40, die Basisstationen B. S., die Mobilstationen M. S. und die Zellen 30.
Die Kommunikationsbandbreite unterteilt sich in eine Anzahl sich nicht störender Kanäle f&sub1;, f&sub2;, fk. Einige Verfahren, um das zu verwirklichen, sind: (i) Zuteilen von disjunkten Frequenzbändern an jeden Kanal (FDMA), oder (ii) Anwenden von Gedehnten-Spektrum-Techniken, wie die, die durch FCC Teil 15, Regeln für die ISM-Bänder (In-Service-Mönitoring - In- Betrieb-Überwachung) zulässig sind. Zellen, die dem gleichen Kanal zugewiesen sind, bilden eine Superzelle. Zellen einer Superzelle müssen geographisch nicht nebeneinanderliegen. Superzellen werden nach zwei Kriterien gebildet: (i) Maximieren des System-Kommunikationsdurchsatzes, und (ii) Minimieren der Komplexheit des Interzellenplans in jeder Superzelle.
Ein Beispiel für eine Superzellen-Formation ist in Fig. 2 gezeigt. Das sind vierzehn Zellen, beziffert von 1 bis 14. Das Gesamtspektrum ist z. B. unterteilt in zwei Kommunikationskanäle. Diese Kanäle werden den Zellen zugewiesen durch Bilden von zwei Superzellen, und Zuteilen eines der Kanäle zu jeder Superzelle wie folgt. Die erste Superzelle besteht aus den gestrichelten Zellen 201 in Fig. 2, und die zweite Superzelle besteht aus den nichtgestrichelten Zellen 202 in Fig. 2. Die erste Superzelle, bezeichnet Superzelle 1 in Fig. 3, besteht aus den Zellen 1, 3; 5, 7, 9, 11, 13, und die zweite Superzelle, bezeichnet als Superzelle 2 in Fig. 3, besteht aus den Zellen 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14. Diese Superzellen wurden erhalten durch Anwendung des nachstehenden Algorithmus mit den Kanälen f1 und f2.
Nachstehend folgt die Beschreibung eines einfachen Schemas für das Zuteilen der Kanäle zum Bilden von Superzellen. Die Motivation hinter diesem Schema ist das Schaffen von Superzellen mit minimalen Störungen zwischen den Zellen, die zu einer Superzelle gehören. Bezeichnen wir die Zellen des Netzwerks mit C&sub1;, C&sub2;, ..., C". Zwei Zellen heißen benachbart, wenn sich die geographischen Bereiche in ihrer Deckung überlappen. Die Kanalzuteilung läuft an durch Zuteilen eines Kanals an C&sub1;. Dann werden Kanäle an C&sub2;, C&sub3;, ..., Cn - in dieser Reihenfolge - gemäß der nachstehenden Regel zugeteilt. Zuteilen des Kanals an C&sub1;, der am wenigsten benutzt wird, unter den benachbarten Cis, denen bereits ein Kanal zugeteilt wurde. Dieser Plan wird zusammengefasst im folgenden Algorithmus. Die verfügbaren Kanäle seien f&sub1;, ..., fk.
Zellen, denen der gleiche Kanal zugeteilt ist, bilden eine Superzelle. Zum Beispiel bilden alle Zellen, denen Kanal f&sub1; zugeteilt ist, eine Superzelle.
Interzellen-Reihe innerhalb einer Superzelle.
Innerhalb jeder Superzelle werden unterschiedliche Sätze von Zeitperioden oder -rahmen unterschiedlichen Zellen zugeordnet. Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Rahmenzuteilung unter den Zellen der Fig. 2. Die waagrechte Achse bedeutet Zeit, die durch die Zeit-Marken t&sub0;, t&sub1;, ..., t&sub5; in Rahmen unterteilt ist. Die Zahlen auf der Achse bezeichnen Zellen, deren Anwender und Basisstationen ihre Sender/Empfänger während der entsprechenden Zeitperioden aktivieren können. Zellen, die weder Nachbarn noch in der gleichen Superzelle sind, können nach Zeitplan zur gleichen Zeit aktiviert werden. Zum Beispiel, die zu den Zellen 1, 3, 9 und 11 gehörenden Sender/Empfänger, die alle zur ersten Superzelle der Fig. 2 gehören, sind gleichzeitig aktiv von t&sub0; bis t&sub1;. Sender/Empfänger, die zu den Zellen 2, 4, 8 und 10 gehören, die alle zur zweiten Superzelle der Fig. 2 gehören, sind gleichzeitig aktiv von t&sub0; bis t&sub2;.
Die Zuteilung von Rahmen zu den Zellen wird bewirkt durch den Planungsalgorithmus. Wir schlagen zwei Planungsalgorithmen vor: Verteilt und zentralisiert. Beide Algorithmen sind bedarfsgesteuert - die Länge jedes Rahmens der Zuteilung zu einer Zelle hängt ab von den Anforderungen der Anwender in dieser Zelle. Diese Anforderungen werden aufgenommen von der Basisstation, wie in der Folge beschrieben und wie unter 505 in Fig. 5 gezeigt wird. Der verteilte Algorithmus bedarf keiner Synchronisierung zwischen den Basisstationen (d. h. jede Basisstation hat einen örtlichen, unabhängigen Taktgeber), erfordert aber den Austausch von Steuermeldungen zwischen den benachbarten Basisstationen. Der zentralisierte Algorithmus vermeidet die Notwendigkeit einer Kommunikation zwischen benachbarten Basisstationen, erfordert aber die Synchronisierung zwischen allen Basisstationen des Netzwerks (d. i., alle Bäsisstationen müssen von einem gemeinsamen Taktgeber getrieben werden.)
Der verteilte Algorithmus:
Der verteilte Algorithmus gründet sich auf den Algorithmus, der in [2] für das Problem des mittagessenden Philosophen beschrieben ist. Das folgende ist eine informelle Beschreibung des Algorithmus: Jedem Paar benachbarter Basisstationen BSi und BSG ist das Token T(i,j) zugeordnet. Zu irgendeinem Zeitpunkt während des Ablaufs des Algorithmus hält entweder BSi oder BSG das Token T(i,j). Um eine Zuordnung zu bekommen, muss die Basisstation BSi alle damit assoziierten Token halten, das heißt, alle Token T(i,j), wobei BSk ein Nachbar von BSi ist. Das stellt sicher, dass keine zwei überlappenden Zellen im Netzwerk gleichzeitig eine Zuteilung bekommen. Zum Bestimmen der Anfangsverteilung der Token wird jeder Basisstation BSi eine natürliche Zahl Color(i) zugeordnet, so dass, wenn BS1 und BSG Nachbarn sind, dann Color(i)+Color(j) ist. Diese Zuteilung wird bezeichnet als Färbung. Die einfachste Färbung wird erhalten durch Zuweisung Color(i)= i. Wirksamere Färbungen (d. h., die weniger Farbe benötigen), können erhalten werden durch Anwendung wohlbekannter, aus der Literatur bekannter Verfahren.
Ursprünglich ist jedes Token T(i,j) an der Basisstation, deren Färbungsnummer niedriger ist, d.i. bei BS1 wenn. Color (i) < Color (j) oder bei BSJ wenn Color (j) < Color (i). Es kann gezeigt werden, dass diese Anfangsverteilung der Token sicherstellt, dass eine nicht-leere Menge Basisstationen existiert, so dass jede Basisstation in dieser Menge alle Token hält, die ihr zugeordnet sind. Somit bekommen alle Basisstationen in dieser Menge eine Zuteilung. Der Planalgorithmus fährt damit fort, dass er jede Basisstation, deren Zuteilung beendet ist, jedes ihr zugeteilte Token an den entsprechenden Nachbarn senden lässt. Die Zuteilung jeder Basisstation läuft an, wenn die Basisstation alle ihr zugeteilten Token erhalten hat. Die Länge des Zeitrahmens, der jeder Basisstation zugeteilt wird, wird bestimmt durch die Basisstation selbst, in Abhängigkeit von der Stärke des Verkehrs in ihrer Zelle (siehe unten). Die Länge liegt immer zwischen der vorgegebenen minimalen und maximalen Länge. Das garantiert die Lebendigkeit und Unparteilichkeit des Algorithmus. In weiteren Einzelheiten bezeichnen wir mit M die maximal zulässige Länge für eine einzelne Zuteilung, und mit Δ die maximale Anzahl der Nachbarn, die eine Basisstation hät. Dann wird jeder Basisstation garantiert, dass sie mindestens eine Zuteilung in jedem Fenster der Länge MΔ bekommt. Ferner bekommt jede Basisstation eine Zuteilung bevor einer ihrer Nachbarn eine zweite Zuteilung bekommt.
Eine formelle Beschreibung des verteilten Algorithmus ist wie folgt. Jede Basisstation unterhält einen örtlichen Zähler C, der die laufende Zahl der Token repräsentiert, die die Basisstation hält. Die von BSi durchgeführten Schritte sind wie folgt.

Zentralisierter Algorithmus

Der zentralisierte Algorithmus kann beschrieben werden wie folgt. Erstens, jeder Basisstation BSi wird eine feste Zahl Bi zugeordnet, die dia Länge jedes Rahmens repräsentiert, der der betreffenden Basisstation zugewiesen wird. Als nächstes wird eine Reihe Zuordnungen berechnet (z. B. von der Netzwerksteuerung), so dass während dieser Sequenz jede Basisstation BSi mindestens, eine Zuweisung der Länge Bi erhält. Wir bezeichnen diese Zuteilungssequenz als Super- Rahmen, und bezeichnen die Länge des Super-Rahmens mit T. Li sei die Zahl; wie oft die Basisstation BSi während des Super- Rahmens eine Zuteilung bekommt. Jede Basisstation hat den Parameter T sowie die Zeitpunkte ti(1), ti(2), ..., ti (Li), an denen die Zuteilungen für diese Basisstation während eines Super-Rahmens anlaufen, der bei t = 0 startet. Der zenträlisierte Algorithmus arbeitet durch konsekutives Wiederholen dieser Super = Rahmen. Das heißt, Basisstation BS2 bekommt Zuteilungen der Längen B~, anlaufend mit der Zeit mT + ti(1), für alle m = 0, 1, 2... und 1 ≤ 1 ≤ Li. Da sich die Anforderungen des Netzwerks mit der Zeit verändern, kann alle N Super-Rahmen ein neuer. Super-Rahmen berechnet werden, wobei N ≥ 1 gemäß den Parametern des Netzwerks bestimmt wird.
Jetzt geben wir eine informelle Beschreibung des Verfahrens zum Berechnen des Super-Rahmens. Dieses Verfahren gründet sich auf den oben beschriebenen verteilten Algorithmus wie folgt. Erstens setzen wir eine Färbung für das Netzwerk fest. Dann wird der verteilte Algorithmus ausgeführt von t = 0 bis zum Zeitpunkt t = T, an dem jede Basisstation BSi mindestens eine Zuteilung der Länge Bi erhalten hat. Die Reihenfolge der so erhaltenen Zuteilungen definiert den Super-Rahmen.
Eindeutig ist eine erwünschte Eigenschaft, dass die Länge T des Super-Rahmens minimal ist. Diese Länge wird unverwechselbar bestimmt durch die Färbung. Für einfache Netzwerk-Topologien kann die optimale Färbung im Sinne der Minimierung von T durch eine erschöpfende Suche über alle möglichen Färbungen erhalten werden. Ein einfacher Weg zum Bestimmen von T direkt aus einer gegebenen Färbung ist wie folgt. Betrachten wird den gerichtete Graphen, in dem Scheitel i das Gewicht Bi hat, und dort eine Kante von Scheitel i zum Scheitel j gerichtet ist, wenn, und nur wenn, BSi und BSG Nachbarn sind und Color (j)< Color (i) ist. Dann kann gezeigt werden, dass T der längste gerichtete Pfad in diesem Graphen ist, wobei die Länge eines Pfades die Summe der Gewichte der Scheitel entlang diesem Pfad ist.
Das folgende ist eine formelle Beschreibung des Verfahrens zum Berechnen des Super-Rahmens. Dieser Algorithmus benutzt die folgenden Variablen. Die variable S(i) überwacht die Menge der Zeitpunkte, an denen die Zuteilungen für BS1 während des Super-Rahmens anlaufen. Anfänglich ist es eine leere Menge, und am Ende des Verfahrens ist es die Menge der Zeitmomente ti(1), ti(2),..., ti (2), ..., ti(Li). Die Variable f ist eine zweidimensionale Matrix. Jeder Eintrag f(i,t) bezeichnet die Anzahl der Token, die diese Basisstation BS1 zum Zeitpunkt t hält. Die variable A ist eine zweidimensionale Matrix. Jeder Eintrag A(i,t) bezeichnet die Anzahl Token, die von der Basisstation BS1 zum Zeitpunkt t empfangen wurden.
Anwenderanforderungen sammeln und Bandbreiten an Zellen zuteilen
In: Fig. 5 ist ein Flussdiagramm gezeigt. Zu Beginn jedes Zeitrahmens 501, der einer Basisstation zugeteilt ist, sendet die Basisstation auf dem drahtlosen Abwärtsstrecken-Kanal eine Startmeldung 502. Jede Startmeldung enthält die folgende Information, wie in Fig. 4 gezeigt wird:
1. Die Identität der Bäsisstation 401.
2. Die Identitäten der ortsbeweglichen Anwender, die die nächste 402 senden werden.
3. Die für Abwärtsstreckenübertragungen 403 zugewiesene Zeit:
4. Die Anzahl der für Belegungen 404 zugewiesenen Schlitze. Dann beginnen die angerufenen Anwender mit dem Übertragen auf dem reservierten Teil 405 des Aufwärtsstreckenkanals 410 gemäß der Reihenfolge, die- von der Startmeldung 411 bestimmt wurde. Die Längen 407 und 408 der Perioden, die den ortsbeweglichen Anwendern M1 und M2 entsprechend zugewiesen sind, können entweder fest oder variabel sein. Im letzterem Fall sind die Längen in der Startmeldung 411 angegeben. Am Ende der Übertragungen der abgerufenen Anwender (oder zur selben Zeit, wenn gleichzeitige Übertragungen auf dem Aufwärtsstrecken- und Abwärtsstreckenkanal zulässig sind) übermittelt die Basisstation die auf Übertragung wartenden Meldungen auf dem Datenteil 409 des Abwärtsstreckenkanals 412 (einschließlich der Aufrufmeldungen). Die auf dem Aufwärts- und Abwärtsstreckenkanal übermittelten Daten und Quittungen sitxd in 503 in Fig. 5 gezeigt.
Der Aufwärtsstreckenkanal unterteilt sich in zwei Teile: Einen Zufallszugriffsteil 406 und einen Belegungsteil 405. Wenn eine Mobilstation eingeschaltet wird oder in eine neue Zelle eintritt, hört sie die Basisstations-Identität 401 und wartet auf den Zufallszugriffsteil 406 des Kanals, um ihre Belegungsanforderungen 504 zu stellen. Eine Anforderungsmeldung enthält die Länge der angeforderten Zuteilung (wird nicht gebraucht, wenn alle Zuteilungen die gleich feste Länge haben). Zum Beispiel kann eine Mobilstation zwei Schlitze zu je 1000 Bits auf einem 1 Mbps Kanal für insgesamt 2 ms anfordern. Kollisionen zwischen Anforderungsmeldungen werden durch den Zufallszugriffs- Algorithmus [1.5] gelöst. Somit brauchen weder die Nummer noch die Identitäten der ortsbeweglichen Anwender, die sich augenblicklich in der Zelle befinden, der Basisstation bekannt zu sein. Während der Belegungsperiode auf dem Aufwärtsstreckenkanal wird der Abwärtsstreckenkanal entweder für ACKs oder für Leitungsabfragezwecke benutzt. Kollisionen, die während dieser Belegungsperiode nicht gelöst wurden, werden während des nächsten Rahmens weiterhin gelöst, der dieser Basisstation zugeteilt ist. Der Zufallszugriffsteil wird für die Übertragürig von Steuermeldungen (Belegungsanforderungen) sowie für kurze Datenübertragungen benutzt, die keine explizite Belegung benötigen. Der belegte Teil des Kanals wird benutzt für die Übertragung verhältnismäßig langer oder zusammenhängender Datenströme. Eine Mobilstation (M. S.) mit einem zugeteilten belegten Kanal überträgt ihre Steuermeldungen in ihrem belegten Kanal. Auf diese Weise bleibt der Zufallszugriffskanal für die Stationen mit neuen Belegungsanforderungen verfügbar.
Die Basisstation bestimmt die Länge des nächsten Rahmens, der ihr durch den oben beschriebenen Ablaufplanungs-Algorithmus zugeteilt wird, wie folgt. Die Länge des belegten Teils des nächsten Rahmens wird durch die Basisstation gemäß den erfolgreichen Belegungen im augenblicklichen Rahmen 505 bestimmt. Die Länge des Zufallszugriffsteils des nächsten Rahmens wird nach der Last bestimmt, die während des Zufallszugriffsteils des augenblicklichen Rahmens angefallen war (und die niemals kleiner als eine vorher spezifizierte Mindestlänge ist). Zum Beispiel, kann es eine Funktion der Anzahl der Kollisionsschlitze und der Leerlaufschlitze sein, die während des augenblicklichen Zufallszugriffsteils beobachtet wird.
Jeder beliebige Mikroprozessor, wie z. B. der Hobbit von AT&T, kann zum Implementieren der vorliegenden Erfindung in den ortsbeweglichen Stationen und in den Basisstationen des Mobilfunknetzes benutzt werden,
[1] USP 5,123,029 von D. Bantz et al., "Broadcast- Initiated Bipartite Frame Multi-Access Protocol", erteilt am 16. Juni 1992.
[2] K. M. Chandy und J. Misra, "The Drinking Philsosopher's Pröblem" ACM Trans. Program: Lang. And System, Bd. 6, Nr. 4, SS. 632-646, Oktober 1984.
[3] W. C. Y. Lee, "Mobile Cellular Telecommunications Systems", McGraw Hill, 1989.
[4] USP 5,210,753, Ausgabedatum 11. Mai 1993 an K. S. Natarajan, "Robust Scheduling Mechanisms for Efficient Bandwidth".
[5] R. Rom und M. Sidi, "Multiple Access Protocols, Performance and Analysis", Springer-Verlag 1990.
[6] R. Steele, Mobile Radio Communications, 1992.
[7] B. Tuch "An ISM Spread Spectrum Local Area Network: WaveLAN," Proceedings of IEEE Workshop on Wireless LANs, Mai 1991.

Claims

1. Ein Verfahren zur Zuweisung von Kommunikationsbandbreite an Zellen in einem Mobilfunknetz, umfassend die folgenden Schritte:

a. Partitionieren der Kommunikationsbandbreite in eine Vielzahl unterschiedlicher Kanäle;

b. Bilden einer Vielzahl disjunkter Gruppen (201, 202) dieser Zellen, wobei die Vielzahl der Gruppen gleich an der Zahl mit der Vielzahl unterschiedlicher Kanäle ist, durch Aufnehmen einer Vielzahl der Zellen in jede der Gruppen, so dass die Störungen zwischen den Zellen in jeder der Gruppen minimiert wird, wobei mindestens eine dieser Gruppen etwas Störung zwischen den darin befindlichen Zellen aufweist, keine zwei dieser Gruppen die gleiche dieser Zellen darin aufweisen; und Zuweisen eines gesonderten Kanals an jede dieser Gruppen; gekennzeichnet durch

c. Bilden der Bandbreite jedes dieser Kanäle an Zellen in jeder Gruppe, der jeder Kanal zugeordnet ist, wobei die Bandbreite jedes dieser Kanäle dynamisch zugewiesen wird je nach Anwenderanforderung in jeder Zelle einer Gruppe, der dieser Kanal zugewiesen ist:

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem Schritt (b) in Anspruch 1 ausgeführt wird durch:

Zuweisen jeweils eines dieser unterschiedlichen Kanäle an jede dieser Zellen, jeweils Zelle um Zelle, wobei jeder nachfolgenden Zelle der Kanal zugewiesen wird, der am wenigsten an Nachbarn dieser aufeinanderfolgenden Zellen zugewiesen ist, der bereits ein Kanal zugewiesen ist, die eine dieser Vielzahl von Gruppen bilden.

3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in der ein Superrahmen mit einer Vielzahl von Zeitschlitzen für diesen unterschiedlichen Kanal definiert ist, der jeder dieser Gruppen zugewiesen ist, und die Bandbreite dieses unterschiedlichen Kanals in einer zweiten Reihe der Zuweisungen jeder Zelle dieser mindestens einen Gruppe zugewiesen wird durch dynamisches Zuweisen einer Anzahl Zeitschlitze an jede Zelle gemäß der Anwenderanforderungen in dieser jeden Zelle.

4. Ein Gerät zum Zuteilen der Kommunikationsbandbreite an Zellen in einem Mobilfunknetz, enthaltend:

a. Mittel zum Bilden disjunkter Gruppen dieser Zellen zum Minimieren der Störungen innerhalb jeder dieser Gruppen;

b. Mittel zum Zuweisen eines unterschiedlichen Kanals dieser Bandbreite an jede dieser Gruppen; gekennzeichnet durch:

c. Mittel zum Zuweisen der Bandbreite jedes dieser Kanäle an Zellen in jeder Gruppe, der jeder Kanal zugewiesen ist, wobei die Bandbreite jedes dieser Kanäle je flach Anwenderanforderung dynamisch zugewiesen wird in jeder Zelle einer Gruppe, der dieser Kanal zugewiesen wird.