DE69730238T2

DE69730238T2 - Kommunikationssystem und -verfahren

Info

Publication number: DE69730238T2
Application number: DE69730238T
Authority: DE
Inventors: Thomas Philip HUGHES; Timothy Jackson; James Newman
Original assignee: Radiant Networks PLC
Current assignee: Radiant Networks PLC
Priority date: 1996-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: CN1244986A; EP0947077B1; EP1085708A2; EP1085707A2; US6553020B1; US7099297B2; GB9720152D0; US20020012336A1; EP1085708A3; DE69730238D1; US20020015397A1; AU5328698A; CN1134139C; GB9726873D0; WO1998027694A1; JP2001506825A; CA2275282A1; BR9713966A; EP0947077A1; GB2321368B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationssystem und auf ein Kommunikationsverfahren.
Es gibt einen steigenden Bedarf an Kommunikationssystemen mit großer Bandbreite, die eine Datenübertragung bei Raten ermöglicht, die bedeutend höher sind als die, die derzeit für geschäftliche und private Nutzer zur Verfügung stehen. Systeme, die von sehr hohen Datenübertragungsraten profitieren würden, beinhalten Video-on-demand, Videokonferenz- und Video"telefon", geschäftlicher und privater Internetzugang, örtliche Bereichsnetzwerk (LAN)-Verbindungen, virtuelle private Netze, Telearbeit, Online-Spiele, High-Definition-Fernsehen und viele andere Anwendungen, die hohe Informationsübertragungsraten erfordern.
Bei einem herkömmlichen Telefon-Kommunikationssystem ist das geschaltete Haupt-Fernnetz des Systembetreibers mit einem Zugangsnetz verbunden, welches das Fernnetz mit einem einzelnen Telefonapparat einer Einzelperson oder Nebenstellenanlage (private branch exchange (PBX)) verbindet. Das Zugangsnetz wird oft als Ortsleitung (local loop) bezeichnet.
Die große Mehrheit der Ortsleitungsnetze im Vereinigten Königreich und vielen anderen Ländern basiert auf Drähten, die entweder im Boden vergraben sind oder über Land an Masten aufgehängt sind. Der Draht erstreckt sich von dem regionalen Zugangsschalter zu dem Teilnehmer und ist im wesentlichen einem Teilnehmer zugeordnet und überträgt nur Signale für diesen.
Kupferdraht wurde herkömmlicherweise in erster Linie verwendet aufgrund seiner relativ niedrigen Kosten. Kupferdraht kann jedoch nur Daten bei einer Rate von ca. 2400 bis 9600 Bits pro Sekunde (bps) ohne Datenkompression übertragen. Mit höherentwickelten Techniken wurde dieses Limit auf ca. 57000 bps erhöht. Dies ist jedoch extrem langsam im Vergleich zu der Rate, die für Echtzeitvideos erforderlich ist, die im Bereich von 2 bis 9 Millionen bps (Mbps) liegt.
Einige britische Betreiber bieten nun digitale Zugangsdienstleistungen mittels des diensteintegrierenden digitalen Fernmeldenetz (Integrated Services Digital Network (ISDN)) Systems an. Die Datentransferrate beträgt jedoch immer noch nur ca. 64000 bis 128000 bps bei ISDN oder ISDN2 und es wird immer noch Drahttechnologie verwendet. In jüngster Zeit können Drahtsysteme wie HDSL (high speed digital subscriber line) und ADSL (asymmetric digital subscriber line) bis zu 2000000 bps (2 Mbps) liefern. Da diese jedoch immer noch verdrahtete Systeme sind, gibt es sehr große Anfangskosten für ein solches System, dadurch, dass der Betreiber die hohen Kosten für das Aufgraben von Straßen, Gehwegen etc. übernehmen muss, um die Kabel oder Drähte zu einer großen Anzahl an Teilnehmern zu legen, bevor das System in Betrieb genommen werden kann. Der Betreiber muss ein sehr großes finanzielles Risiko eingehen, wenn er ein neues verdrahtetes System aufbaut, dadurch, dass der Betreiber eine sehr große Anzahl an Kabeln oder Drähten verlegen muss, bevor potentielle Kunden sich für das System entscheiden, so dass der Betreiber ein System anbieten kann, welches bereits funktionsfähig ist. Dies ist offensichtlich ein bedeutendes Risiko, insbesondere wenn neue Technologie im Spiel ist und die Kundenakzeptanz des Systems zum Zeitpunkt, zu dem der Betreiber die Infrastruktur für das System installiert, unbekannt ist.
In ähnlicher Weise bearbeitet bei einem herkömmlichen Punkt-zu-Mehrpunkt (Broadcast) Zellularsystem jede Teilnehmereinheit nur Informationen, die für diesen Teilnehmer vorgesehen sind.
Die zwei obengenannten Systeme, das Standard-Telefonsystem und das Zellularsystem, erfordern eine Art einer Zentralstation, die Informationen an außerhalb liegende oder periphere Teilnehmerstationen sendet und von diesen empfängt.
Die Installation eines drahtlosen Systems ist viel günstiger, da kein mechanisches Graben oder Verlegen von Kabeln erforderlich ist. Benutzer-Standorte können sehr schnell installiert und deinstalliert werden. Somit haben die Funkkommunikationssysteme viele attraktive Merkmale für einen umfangreichen Einsatz des Systems. Es ist jedoch ein Merkmal von Funksystemen, wenn eine große Bandbreite (Datentransferrate) erforderlich ist, dass, wenn die Bandbreite, die jedem Benutzer zur Verfügung gestellt werden kann, steigt, die Bandbreite der Funksignale in ähnlicher Weise steigen muss. Weiterhin sind die Frequenzen, die für Funkübertragung verwendet werden können, eng reguliert und solch große Bandbreiten stehen heute tatsächlich nur bei Mikrowellenfrequenzen (d. h. im Gigahertz (GHz) bereich) oder höher zur Verfügung, da die niedrigeren Funkfrequenzen bereits belegt wurden.
Das Problem bei Mikrowellen oder höheren Frequenzen besteht darin, dass diese Hochfrequenzen zunehmend gedämpft oder vollständig blockiert werden durch Hindernisse wie Gebäude, Fahrzeuge, Bäume etc. Solche Hindernisse schwächen Signale im Megahertz (MHz) Band nicht, werden jedoch zu einem schwerwiegenden Problem im Gigahertz (GHz) Band. Somit hat sich gezeigt, dass Mikrowellen oder höhere Frequenzen in einem Netz mit öffentlichem Zugriff, welches eine Kommunikation mit einer großen Anzahl an verteilten Benutzern bereitstellt, schwierig zu verwenden sind.
Der spektrale Wirkungsgrad eines beliebigen drahtlosen Kommunikationssystems ist extrem wichtig, da die Anforderungen an die Funkbandbreite groß sind. In der Praxis können die Regulations- und Lizenzbehörden nur relativ schmale Bereiche des Funkspektrums lizenzieren. Ein Zellsystem, bei welchem Punkt-zu-Mehrpunkt-Sendungen verwendet werden, stellt große Anforderungen an das Funkspektrum, um Benutzern eine zufriedenstellende Bandbreite bereitzustellen und ist deshalb spektral nicht sehr effektiv.
Die Verwendung von Zwischenverstärkern oder Relais zum Übermitteln von Daten von einer Station an eine andere ist bei vielen Anwendungen wohlbekannt. Jedoch übermitteln solche Verstärker jeweils Signale in einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Weise und sind deshalb ähnlich zu einer Zellularübertragung und weisen eine entsprechend geringe spektrale Effektivität auf.
Das Dokument „BAHAMA: A Broadband Ad-Hoc Wireless ATM Local-Area Network" von Eng et al., Proceedings of the Conference on Communications, Vol. 2, 18.06.1995, IEEE, Seiten 1216–1223 offenbart ein drahtloses ATM LAN/PBX, das Mobilfunkbenutzer unterstützen kann. Netzknoten, genannt tragbare Basisstationen, liefern eine Mikrozellenübertragung für Mobilfunkbenutzer, wobei die tragbaren Basisstationen miteinander durch Hochgeschwindigkeitsbackbone-Verknüpfungen verbunden sind.
DE-A-42 24 422 offenbart ein Relais-Funksystem, bei welchem Signale von einer Station für einen Empfang von allen anderen Stationen in einem Kreis gesendet werden. Wenn Signale an eine der vorgesehenen Empfangsstationen verzerrt werden, da diese Station aufgrund eines Hindernisses in einem Funkschatten ist, können andere der Stationen in dem Kreis das Signal an diese momentan nicht erreichbare Station weitergeben.
Das Dokument „A Bounded-Hop-Count Deflection Scheme for Manhattan-Street Networks" von Dobosiewicz et al., Proceedings of IEEE Infocom, Vol. 1, 24.03.1996, IEEE, Seiten 172–179 offenbart ein Protokoll zum Begrenzen der Anzahl an Hops, die ein Paket auf seinem Weg von einer Quelle zu einem Ziel innerhalb des Kontexts eines verdrahteten Netzes zurücklegt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kommunikationssystem vorgesehen, wobei das System aufweist: eine Mehrzahl von Knoten, wobei jeder Knoten aufweist: eine Empfangseinrichtung zum Empfang eines von einer drahtlosen Übertragungseinrichtung übertragenen Signals; eine Übertragungseinrichtung zur drahtlosen Übertragung eines Signals; und eine Einrichtung zum Feststellen, ob ein von dem Knoten empfangenes Signal Informationen für einen anderen Knoten beinhaltet und Bewirken, dass ein diese Informationen enthaltendes Signal durch die Übertragungseinrichtung an einen anderen Knoten übertragen wird, wenn das empfangene Signal Informationen für einen anderen Knoten enthält; wobei jeder Knoten eine oder mehr im wesentlichen unidirektionale drahtlose Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung(en) hat, wobei jede der Verbindungen nur zu einem anderen Knoten besteht, wobei zumindest einige der Knoten der Anfangs- und Endpunkt des Benutzer-Datenverkehrs sind.
Drahtlose Übertragung wird verwendet, um eine Kommunikation mit jedem Knoten bereitzustellen. In der Praxis wird jeder Knoten wahrscheinlich über die Ausrüstung einem Benutzer oder Teilnehmer an dem System zugeordnet. Jeder Knoten ist vorzugsweise stationär oder fest. Die Knoten werden in einer Peer-to-Peer-Weise betrieben, im Gegensatz zu der zentraler-Master/peripherer-Slave-Weise z. B. eines Zellular-Sendesystems. Bei der vorliegenden Erfindung werden Informationen typischerweise in einer Reihe von „Hops" von Knoten zu Knoten im System umher zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten übertragen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Knoten logisch miteinander über mehrere Punkt-zu-Punkt-Verknüpfungen zwischen jedem verknüpften Paar von Knoten verbunden und können dergestalt betrachtet werden, dass sie ein miteinander verbundenes "Web" bereitstellen, das ein geographisches Gebiet abdeckt und ein nicht zelluläres Netz bereitstellt. Die Verknüpfungen sind im wesentlichen unidirektional, d. h. Signale werden nicht gesendet, sondern werden stattdessen an einen bestimmten Knoten gerichtet, wobei die Signale in beiden Richtungen entlang der Verknüpfung passieren können.
Es ist klar, dass einige bekannte Systeme Knoten haben, die miteinander kommunizieren können, wobei die Knoten als einfache Verstärker agieren. Die einzelnen Übertragungen bei solchen bekannten Systemen sind jedoch oft omnidirektional oder verwenden breitwinklige Übertragungssektoren und somit haben solche Systeme immer noch eine grundsätzlich zelluläre Struktur. Solche bekannten Systeme tendieren somit dazu, Punkt-zu-Mehrpunkt-Übertragungen mittels einer Master/Slave oder zentralen/peripheren Architektur zu verwenden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Knoten in einer Peer-to-Peer-Weise mit Punkt-zu-Punkt- Verknüpfungen in einem zusammenhängenden Netzwerk verbunden. Bei der vorliegenden Erfindung können viele Verknüpfungen quer durch das System oder Netz gleichzeitig „aktiv" sein, d. h. Signale übertragen, so dass mehrere Paare von verknüpften Knoten miteinander im wesentlichen gleichzeitig kommunizieren können. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist für jeden Knoten zu einem Zeitpunkt nur eine Verknüpfung „aktiv" und die Verknüpfung ist jeweils nur in eine Richtung aktiv (d. h. ein Knoten sendet nur oder empfängt nur an dieser Verknüpfung). Anders formuliert, wird ein Knoten, der an einer seiner Verknüpfungen sendet oder empfängt, an keiner anderen seiner Verknüpfungen empfangen oder senden. Dies erhöht die spektrale Effektivität bedeutend im Vergleich zu einem Zellularsystem oder anderen Systemen, die Funkübertragungen von einem Knoten verwenden. Diese Konfiguration trägt auch dazu bei, die Kosten der einzelnen Knoten niedrig zu halten, da jeder Knoten nur einen Sender und einen Empfänger braucht.
Jeder Knoten der Erfindung kann autonom in Bezug z. B. auf die Übertragung von Signalen an andere Knoten sein und muss nicht von Steuersignalen von einer zentralen Steuereinheit oder einem anderen Knoten abhängen. „Anrufe" zwischen Knoten können effektiv asynchron sein und ein Anruf zwischen einem Paar von Knoten kann effektiv zu jedem Zeitpunkt beginnen oder enden, im wesentlichen unabhängig vom Zustand jedes anderen Anrufs.
Bei einem Beispiel der Erfindung ist jeder Knoten eine Teilnehmereinheit, welche an oder nahe eines Hauses eines Teilnehmers montiert werden kann. Außerdem können weitere Knoten strategisch an anderen geeigneten Stellen entsprechend den Erfordernissen des Betreibers angeordnet werden. Somit ist es nicht erforderlich, eine Metall-(z. B. Kupfer) Draht-, Lichtleitfaser- oder andere feste „harte" Verknüpfung zu jedem Benutzer bereitzustellen, was die sehr hohen Kosten für das Aufgraben von Straßen, Verlegen von festen Kabeln etc. einspart. Das bedeutet, dass die Einstiegskosten für einen Provider des Systems relativ gering sein können. Ein kleines System, welches z. B. hundert oder tausend Benutzern Zugriff bietet, kann sehr günstig erstellt werden und zusätzliche Benutzer können später hinzugefügt werden, wenn der Bedarf steigt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Punkt-zu-Mehrpunkt-Radio-Funksystemen benötigt die vorliegende Erfindung keinen zentralen Sender mit einer extrem hohen Bandbreite, um die Datenerfordernisse der Teilnehmer abzuarbeiten. Tatsächlich sind außer möglichen Anschlüssen an ein Fernnetz keine Standorte mit hohen Kapitalkosten, hoher Lage oder hoher Komplexität für einen luftseitigen Anschluß, Schalten und Übertragung erforderlich. Diese Funktionen können in dem hier beschriebenen System über das gesamte Netz delokalisiert werden. Darüberhinaus erfordert die vorliegende Erfindung keine großen und unschönen Funkmasten/Türme, die für Zellularsysteme typisch sind.
Knoten sowie Übertragungsverkehr, der für andere Knoten vorgesehen ist, können auch die Ursprungs- und Endpunkte für den Benutzerdatenverkehr sein. Dies ist vorteilhaft für die Expansion des Netzes, da im Prinzip der Datenverkehr in einen beliebigen Knoten in dem Netz eingespeist und von diesem entnommen werden kann, im Gegensatz zu Zellularsystemen, bei welchen ein hochgelegener Standort (z. B. Bergspitze) für diesen Zweck gewählt werden muss.
Einer oder mehr Knoten können einer Mehrzahl von Benutzern oder Teilnehmern des Systems zugeordnet werden. Z. B. kann ein kleiner Geschäftsbetrieb einen Knoten haben, an welchen dessen internes LAN (local area network) angeschlossen ist, wodurch alle LAN-Benutzer Zugriff auf das Kommunikationssystem haben. Ein Knoten mit einer Bandbreite von z. B. 2 Mbps könnte bis zu 200 Benutzer stützen, die jeweils eine Bandbreite von 9600 bps erfordern würden.
Jeder Knoten wird verwendet, um diejenigen Signale weiterzuleiten oder zu „routen", welche Informationen enthalten, die für andere Knoten in dem System vorgesehen sind. Wenn ein Knoten in dem System der vorliegenden Erfindung versagt, entsteht ein Dienstleistungsverlust nur für den Teilnehmer (wenn überhaupt), welcher dem Knoten zugeordnet ist und Informationen für andere Knoten können in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch andere Knoten als den ausgefallenen Knoten weitergeleitet werden.
Informationen werden nach Bedarf in einer Reihe von „Hops" von einem Knoten zu einem anderen über eine vorzugsweise vorbestimmte Route weitergeleitet, bis die Informationen ihren Zielknoten erreichen.
Die Knoten sind vorzugsweise so verknüpft, dass sie eine Mehrzahl von Übertragungspfadschleifen bilden und dadurch mehrere Pfade für die Übertragung eines Signals zwischen mindestens einiger der Knoten gewählt werden können. Jede Schleife besteht vorzugsweise aus einer geraden Anzahl an Verbindungen. Dadurch ist eine einwandfreie Synchronisation der Übertragung und des Empfangs zwischen Knoten möglich.
Zumindest einige der Knoten haben vorzugsweise mehrere Verknüpfungen mit anderen Knoten, wobei jede der Mehrzahl von Verknüpfungen zwischen entsprechenden Knotenpaaren einem Zeitschlitz zugeordnet ist. Jede Verknüpfung für jeden Knoten kann einem einzelnen Zeitschlitz zugeordnet sein. Wenn somit TDM (time division multiplexing) verwendet wird, hat kein Knoten mehr als eine Verknüpfung mit derselben Zeitschlitznummer in der TDM Rahmenstruktur.
Die Zuordnung der Zeitschlitze zu den Verknüpfungen kann variiert werden, so dass eine Verknüpfung selektiv mehr als einem Zeitschlitz zugeordnet werden kann. Dadurch kann die effektive Bandbreite, die von einer bestimmten Verknüpfung unterstützt wird, vielleicht vorübergehend erhöht werden, je nach Bedarf eines Benutzers, der einem bestimmten Knoten zugeordnet ist.
Jeder Knoten hat vorzugsweise eine direkte Sichtverbindung mit mindestens einem anderen Knoten, so dass jeder Knoten ein Signal an einen anderen Knoten in Sichtlinie mit jedem Knoten übertragen kann. Es ist klar, dass Sichtlinie bedeutet, dass der Weg zwischen zwei Knoten, die durch eine Sichtverbindung verbunden sind, vollständig oder im wesentlichen ohne Hindernis ist, so dass der Weg transparent oder im wesentlichen transparent für die verwendete Frequenz ist.
„Informationen" in einem Signal können z. B. Software sein, entweder für den Betrieb des Knotens selbst oder zur Verwendung durch einen Teilnehmer, der dem Knoten zugeordnet ist, oder auch Sprachtelefondaten, Videodaten oder Telekommunikationsdatenverkehr im allgemeinen.
Vorzugsweise wird ein Signal einschließlich der Informationen von einem Knoten an einen anderen Knoten übertragen, dann und nur dann, wenn ein Signal, das an dem Knoten erhalten wurde, Informationen für einen anderen Knoten beinhaltet.
Die Anzahl der Knoten ist vorzugsweise kleiner als die Anzahl an Verknüpfungen. Dadurch wird sichergestellt, dass es mehrere verschiedene Wege zwischen zwei beliebigen Knoten geben kann. Auch ist, da die Datenverkehrs-Gleichungen unterbestimmt sind, der Datenverkehr, der an einer Verknüpfung fließt, nicht nur eine Funktion des von dem Teilnehmer eingeführten/entnommenen Datenverkehrs sondern auch eine Funktion des Datenverkehrs an anderen Verknüpfungen. Dies führt zu einer großen Anzahl an möglichen Datenverkehrs-Konfigurationen für einen gegebenen Teilnehmer-Datenverkehr. Dies bedeutet, dass (i) die Punkt-zu-Punkt-Kapazität des Netzes relativ zu den Kette- und Baum-Topologien steigt, (ii) Spielraum für Netzmanagementstrategien geschaffen wird, die Datenverkehrsflüsse in Teilen des Netzes zu ändern, um Staus zu verhindern ohne im Prinzip die Datenverkehrs-Übertragungskapazität des Netzes als Ganzes negativ zu beeinflussen, und (iii) die spektrale Effektivität des Systems im Gegensatz zu herkömmlichen Zellular-Funktechniken stark verbessert werden kann.
Jeder Knoten ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er für eine Zeitspanne in einem Übertragungsmodus ist, welche sich mit einer Zeitspanne für einen Empfangsmodus abwechselt.
Andere Duplextechniken wie z. B. Frequenz-Divisions-Duplex (FDD) können verwendet werden.
Da jeder Knoten mit dem Schalten und der Übertragung von Informationsdatenverkehr beschäftigt ist, kann sich das gesamte System effektiv als verteilter Schalter verhalten. Das bedeutet, dass herkömmliche Zugangsschalter (d. h. Vermittlungsstellen), welche eine bedeutende Kapitalausgabe bedeuten, eliminiert werden können.
Viele Topologien zum Verbinden der Knoten sind möglich. Mögliche Topologien beinhalten eine vollständig miteinander verbundene Topologie, bei welcher jeder Knoten direkt mit jedem anderen Knoten verbunden wird; eine lineare Kettentopologie, bei welcher jeder Knoten mit zwei anderen Knoten in einer Kette verbunden wird; eine Baum-Topologie, bei welcher jeder Knoten mit einer vorbestimmten Anzahl an anderen Knoten verbunden wird, so dass es keine Schleifen mehr in der Topologie-Struktur gibt; eine Gitter-Topologie, bei welcher jeder Knoten mit bis zu einer vorbestimmten Anzahl an nächsten Nachbarn verbunden ist und eine hyperwürfelartige Topologie, bei welcher jeder Knoten mit n anderen Knoten verknüpft ist. Unregelmäßige Topologien, mit z. B. einer willkürlichen Verbindung von Knoten und/oder einem hohen Maß an Verbindungsmöglichkeiten sind auch möglich und haben viele wünschenswerte Eigenschaften. Eine unregelmäßige Topologie (wie bestimmte regelmäßige Topologien) kann z. B. eine große Anzahl an möglichen Routen für das Durchgehen von Informationen durch das System oder Web bereitstellen. Kombinationen von Topologien sind ebenfalls möglich. Eine Hyperwürfelstruktur der Dimension n könnte Cluster von n vollständig miteinander verbundenen n-wertigen Knoten bearbeiten. Eine einem perfekten Hyperwürfel ähnliche Struktur könnte z. B. alternativ verwendet werden.
Es ist klar, dass in den meisten Bereichen, wo das System eingesetzt wird, die Stelle der Knoten durch die Teilnehmerstandorte vorgeschrieben ist und dass die Sichtlinien zwischen den Knoten von der lokalen Geographie abhängen. In solchen Situationen ist es unwahrscheinlich, dass eine vorab gewählte Netztopologie auf die verfügbaren Sichtlinien abgebildet werden kann. Ein pragmatischerer Lösungsweg besteht darin, das Netz aus den verfügbaren Sichtlinien aufzubauen, und den Vorgang im Hinblick auf das Erstellen eines Netzes mit den gewünschten Datenverkehr-Trageeigenscheften auszuführen. Eine Computermodellierung wurde durchgeführt und es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, die Anforderungen und bevorzugte Merkmale des Netzes ohne regelmäßige Form zu erreichen. Die Modellierung zeigt, dass Strukturen, die ausgehend von den tatsächlichen physikalischen Verbindungen erarbeitet wurden, in Bezug auf die Datenverkehr-Trageeigenschaften gut funktionieren können.
Vorzugsweise ist mindestens ein Knoten dazu ausgebildet, keine anderen Knoteninformationen in einem Signal zu übertragen, das von dem mindestens einen Knoten empfangen wurde, wenn diese Informationen an den mindestens einen Knoten gerichtet sind. Vorzugsweise arbeiten alle Knoten in dieser Weise.
Jeder Knoten hat vorzugsweise eine Adressiereinrichtung zum Hinzufügen der Adresse eines Knotens zu Informationen in einem empfangenen Signal, an welchen ein Signal einschließlich der Informationen weitergeleitet werden soll, wenn die Informationen für einen anderen Knoten bestimmt sind. Somit kann jeder Knoten in einfacher Weise Informationen weiterleiten, die für andere Knoten vorgesehen sind.
Die Adressiereinrichtung kann eine Einrichtung zum Bestimmen der Route der Informationen durch das System und entsprechendes Hinzufügen einer geeigneten Adresse an die Informationen beinhalten.
Die Knoten können eine Einrichtung zum Bestimmen der Route der Informationen durch das System als Ganzes aufweisen.
Alternativ kann die Informationsroute durch das System zentral von einer zentralen Systemsteuereinheit bestimmt werden. Somit kann eine zentrale Systemsteuereinheit vorgesehen sein, um die Informationsroute durch das System zu bestimmen. Das System kann verwendet werden, um Steuersignale von der zentralen Systemsteuereinheit an jeden Knoten weiterzuleiten.
Mindestens ein Knoten kann eine Einrichtung zum Bestimmen, ob ein empfangenes Signal Informationen für den mindestens einen Knoten beinhaltet, aufweisen, und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Informationen in einem Signal, das an den mindestens einen Knoten gerichtet wurde. Alle Knoten können so funktionieren.
Die Übertragungseinrichtung der Knoten überträgt vorzugsweise Signale bei einer Frequenz von mindestens ca. 1 GHz. Eine Frequenz von mehr als 2.4 GHz oder 4 GHz kann verwendet werden. Allerdings kann auch eine Frequenz von 40 GHz, 60 GHz oder sogar 200 GHz verwendet werden. Über Funkfrequenzen hinaus könnten ändere noch höhere Frequenzen z. B. im Bereich von 100000 GHz (infrarot) verwendet werden. (Der UK Wireless Telegraphy Act von 1949 definiert die obere Frequenzgrenze für das Funkspektrum bei 3 × 10¹² Hz). Die Empfangseinrichtungen sind so angeordnet, dass sie Signale bei Frequenzen empfangen, die von der Sendeeinrichtung übertragen werden. Es ist klar, dass zumindest von einem praktischen technischen Standpunkt her gesehen, eine größere Bandbreite einfacher zu erreichen ist, wenn eine höhere Frequenz mit geeigneter Modulation verwendet wird.
Die Verknüpfung zwischen zwei Knoten kann so ausgebildet werden, dass gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzkanäle verwendet werden. Dies reduziert die Bandbreitebelastung auf einem bestimmten Frequenzkanal.
Die Empfangs- und Sendeeinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie zirkular polarisierte Strahlung sendet und detektiert. Die Sendeeinheit beinhaltet vorzugsweise einen stark bündelnden Richtsender. Die Empfangseinrichtung beinhaltet vorzugsweise einen stark bündelnden Richtempfänger. Jedes dieser bevorzugten Merkmale trägt dazu bei, eine Interferenz zwischen Knoten zu verhindern und Mehrweg-Effekte zu lindern.
Alle Knoten können im wesentlichen identisch sein. Dies vereinfacht die Realisierung der vorliegenden Erfindung und trägt zur Reduzierung der Kosten bei.
Das System kann im Endeffekt ein in sich selbst geschlossenes Netz sein. Andererseits kann das System z. B. ein Zugriffsnetz sein, das mit einem herkömmlichen Fernnetz verbunden ist, um einen Zugriff auf Teilnehmer oder andere Netze bereitzustellen. Ein weiterer Knoten kann über eine Datenverbindung mit einem der Knoten des Systems verbunden und so ausgebildet sein, dass er ein Signal überträgt oder ein Signal von dem Fernnetz erhält oder beides.
Einer oder mehr Datenspeicherserver können mit geeigneten Knoten in dem System verbunden oder dort vorgesehen sein. Unterschiedliche Arten von Daten können auf solchen Datenspeicherservern gespeichert werden. Für die sogenannte Netzwerk-Datenverarbeitung können z. B. Benutzersoftwareanwendungen auf einem Datenspeicherserver gespeichert werden, welcher von diesem Teilnehmerknoten entfernt ist. Der Benutzer hat Zugriff auf solche Anwendungen über das System gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Anwendungen können einfach durch den Softwarehersteller aktualisiert werden und von mehreren Teilnehmern verwendet werden, die vielleicht den Softwareerstellter auf der Basis der Nutzungszeit bezahlen. Die auf den Datenspeicherservern gespeicherten Daten könnten Daten für Videos wie z. B. Filme sein.
Dies würde nicht nur einen verteilten Video-on-demand-Service bereitstellen, sondern vom Blickwinkel des Systembetreibers her gesehen zusätzlich ermöglichen, dass Videomaterial an die eingebetteten Server unter Verwendung desselben Systems, möglicherweise in einem Broadcast-Modus, verteilt wird. In jedem Fall wandert häufig angefordertes Material von den Hauptsystembibliotheken zu Punkten in dem System, wo es erforderlich ist. Dies reduziert die Bandbreiteanforderungen sowohl für die Videoserver als auch für die Bibliotheken der Betreiber.
Mehrfachsysteme, wie jeweils oben beschrieben, können vorgesehen sein, wobei jedes System mit mindestens einem weiteren System verbunden ist. Die Verbindung zwischen solchen Systemen kann eine Funkverbindung, eine Drahtverbindung wie eine Lichtwellenleiterverbindung oder eine beliebige andere geeignete Einrichtung sein.
Zumindest eine Verknüpfung eines Knotens kann ausgebildet sein, um eine erste Übertragungsfrequenz zu verwenden und mindestens eine andere Verknüpfung des Knotens kann vorgesehen sein, um eine zweite Übertragungsfrequenz zu verwenden. Dadurch kann eine Interferenz zwischen den Knoten verhindert werden.
Bei einer Ausführungsform sind einige der Knoten Teilnehmern zugeordnet und einige der Knoten sind keinen Teilnehmern zugeordnet und mindestens einige der nicht zugeordneten Knoten sind nur zum Übertragen eines Informationsdatenverkehrs zwischen den Teilnehmerknoten vorgesehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kommunikation über ein Netz von Knoten vorgesehen, wobei jeder Knoten eine oder mehrere im wesentlichen unidirektionale drahtlose Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung(en) hat, wobei jede der Verbindungen nur zu einem anderen Knoten besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(A) Erzeugen von Benutzerdaten an einem Knoten;
(B) Übertragen eines Signals einschließlich der Benutzerdaten von dem Knoten zu einem anderen Knoten entlang einer im wesentlichen unidirektionalen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung zwischen den Knoten;
(C) Empfangen des Signals an dem anderen Knoten;
(D) Feststellen in dem anderen Knoten, ob das Signal, das von dem anderen Knoten empfangen wurde, Benutzerdaten für einen weiteren Knoten beinhaltet und Übertragen eines Signals einschließlich dieser Benutzerdaten von dem anderen Knoten zu einem weiteren Knoten entlang einer im wesentlichen unidirektionalen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung zwischen den Knoten, wenn das empfangene Signal Benutzerdaten für einen weiteren Knoten beinhaltet; und
(E) Wiederholen der Schritte (B) bis (D) bis die Benutzerdaten ihren Zielknoten erreicht haben.

Vorzugsweise haben zumindest einige der Knoten mehrere Verknüpfungen zu anderen Knoten, wobei jede der Mehrzahl von Verknüpfungen zwischen entsprechenden Paaren von Knoten einem Zeitschlitz zugeordnet ist, und jeder Übertragungsschritt an einer Verknüpfung des einen Knotens während eines eindeutigen Zeitschlitzes stattfindet und jeder Empfangsschritt an einer Verknüpfung des anderen Knotens während eines eindeutigen Zeitschlitzes stattfindet. Die Zuordnung der Zeitschlitze mit den Verknüpfungen kann variiert werden, so dass eine Verknüpfung selektiv mehr als einem Zeitschlitz zugeordnet ist.
Jeder Knoten fügt vorzugsweise zu den Benutzerdaten in einem empfangenen Signal die Adresse eines Knotens zu, an welchen ein Signal einschließlich der Benutzerdaten weitergeleitet werden soll, wenn die Benutzerdaten für einen anderen Knoten bestimmt sind.
Jeder Knoten kann eine Adressiereinrichtung haben, wobei die Adressiereinrichtung die Route der Benutzerdaten durch das System bestimmt und den Benutzerdaten eine entsprechend geeignete Adresse hinzufügt. Alternativ bestimmt eine zentrale Systemsteuereinheit die Route der Benutzerdaten durch das System.
Das Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt, dass jeder Knoten ein Signal einschließlich der Benutzerdaten an einen anderen Knoten überträgt, dann und nur dann, wenn ein Signal, das an dem Knoten empfangen wurde, Benutzerdaten für einen anderen Knoten beinhaltet.
Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise die Schritte des Bestimmens in mindestens einem Knoten, ob ein empfangenes Signal Benutzerdaten für den mindestens einen Knoten beinhaltet und des Verarbeitens der Benutzerdaten in einem Signal, das an den mindestens einen Knoten adressiert ist.
Vorzugsweise werden die Signale bei Frequenzen von mehr als ca. 1 GHz übertragen.
Es kann mindestens zwei mögliche Wege für einen Datentransfer zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten geben. In diesem Fall kann das Verfahren den Schritt des Übertragens einer Kopie der Daten auf jedem der mindestens zwei Wege umfassen.
Alternativ kann das Verfahren in diesem Fall die folgenden Schritte aufweisen:
Übertragen nur eines Teils der Daten von dem Ursprungsknoten auf jedem der mindestens zwei Wege und Rekonstruieren der Daten von den übertragenen Teilen der Daten in dem Zielknoten. Dadurch kann die effektive Bandbreite der Übertragungen gesteigert werden und eine Redundanz erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Telekommunikations-Schaltvorrichtung mit einem Kommunikationssystem wie oben beschrieben vorgesehen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 und 4 sind schematische Darstellungen von weiteren Beispielen von Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 bis 9 sind schematische Darstellungen von unterschiedlichen Topologien für das System der Erfindung;
10 ist eine schematische Darstellung eines Knotens, der die Funkkomponenten zeigt;
11 ist eine schematische Darstellung einer Zeitschlitzstruktur eines Knotenzeitrahmens;
12A bis 12C zeigen Matrizen zum Erklären der Zuordnung von Zeitschlitzen zu Verknüpfungen;
13 ist eine Darstellung eines Abschnitts eines Beispiels für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, welches die Synchronizität der Zeitschlitze zeigt;
14 ist eine Darstellung eines Abschnitts eines weiteren Beispiels für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, welches mögliche Interferenzen zwischen Knoten zeigen;
15 ist eine schematische Darstellung eines vereinfachten Systems zum Erklären des Adressierens von Signalen innerhalb einer Hyperwürfel-Topologie;
16 und 17 zeigen Beispiele der Verbindung von Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Fernnetz.
Bei einem beliebigen Netz mit insgesamt N Knoten und insgesamt E Querverbindungen oder Verknüpfungen muss bei jedem Knoten der Datenverkehr, der in diesen hineinfließt minus dem Datenverkehr, der aus diesem herausfließt, gleich dem Netto-Datenverkehr sein, der von dem Teilnehmer eingebracht wird, der diesem Knoten zugeordnet ist (abgesehen von jeglichem Zwischenspeichern). Wenn T_ij den Datenverkehr, der von Knoten i zu Knoten j fließt, und B_i den Benutzerverkehr bei Knoten i darstellt, muss folgendes zu jedem Zeitpunkt zutreffen:
Σ_i=0,NT_ij = B_j, und T_ij = –T_ji, und T_jj = 0 für j = 0 bis N
Datenverkehrbedingungs-Gleichungen
Wenn der Verknüpfungs-Datenverkehr T_ji als unbekannt behandelt wird, und der Benutzer-Datenverkehr als bekannt behandelt wird, gibt es N + E Bedingungsgleichungen und 2E Unbekannte, wobei die exakte Topologie des Netzes vorschreibt, wie N und E in Beziehung zueinander stehen. Es gibt zwei Netz-Topologieklassen, die für die vorliegenden Zwecke interessant sind, nämlich Topologien für welche N ≥ E und Topologien für welche N < E ist.
Die erste Art von Netztopologie mit N ≥ E impliziert, dass die obigen Datenverkehrsgleichungen vollkommen bestimmt sind, d. h. der Datenverkehr, der in einer beliebigen Verknüpfung fließt, wird vollständig von dem bekannten Teilnehmer-Datenverkehr, der in das Netz eingegeben bzw. von diesem entnommen wird, bestimmt. Netze dieser Art können gebildet werden, indem jedes mal, wenn ein neuer Knoten hinzugefügt wird, nur eine neue Verknüpfung hinzugefügt wird. Gängige Formen solcher Netze sind z. B. eindimensionale Ketten und Bäume (wobei E = N – 1), wobei die Topologien in herkömmlichen Zugangsnetzen angetroffen werden. Eine weitere Eigenschaft dieser Netze ist die, dass es nur eine mögliche Route zwischen zwei beliebigen Knoten gibt (ohne dass eine Verknüpfung zweimal durchlaufen wird): es gibt keine Schleifen.
Netzsysteme mit Topologien mit N = E können Einfach-Kettenschleifen sein, die möglicherweise mit linearen Ketten und Bäumen kombiniert sind; für diese Systeme gibt es ein Maximum von zwei Wegen zwischen zwei beliebigen Knoten.
Die andere Klasse von Netztopologie, bei der die Anzahl an möglichen Verknüpfungen die Anzahl an Teilnehmerknoten (N < E) überschreitet, ist für die vorliegende Erfindung interessanter, und zwar hauptsächlich aus zwei Gründen. Zuerst kann es mehrere unterschiedliche Wege zwischen zwei beliebigen Knoten geben. Zweitens ist, da die Datenverkehr-Gleichungen unterbestimmt sind, der Datenverkehr, der an einer Verknüpfung fließt, nicht nur eine Funktion des Datenverkehrs, der von dem Teilnehmer eingegeben oder entfernt wurde, sondern auch eine Funktion des Datenverkehrs an anderen Verknüpfungen. Dies führt zu einer großen Anzahl an möglichen Datenverkehrskonfigurationen für jeden beliebigen gegebenen Teilnehmer-Datenverkehr. Dies sind höchst erwünschte Eigenschaften, da (i) die Punkt-zu-Punkt-Kapazität des Netzes relativ zu den Kette- und Baumtopologien steigt, (ii) es Raum für Netzmanagementstrategien gibt, um Datenverkehrsflüsse in Teilen des Netzes zu ändern, um einen Stau zu verhindern, ohne im Prinzip die Datenverkehr-Tragekapazität des Netzes als Ganzes nachteilig zu beeinflussen und (iii) wie später gezeigt wird, die spektrale Effektivität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Zellular-Funktechniken stark verbessert werden kann.
Um die obengenannten erwünschten Eigenschaften zu erzielen, ist das Netz vorzugsweise so ausgebildet, das mehrere Wege zwischen willkürlichen Knoten möglich sind, d. h. dass das Netz Übertragungswegschleifen enthält.
Selbst bei Netzen, bei welchen N < E ist, bilden Verbindungen zu Fernnetzen potentielle Engpässe, wenn unterschiedliche Datenverkehrsströme durch eine einzige Verknüpfung gezwungen werden. Dies impliziert, dass die Kapazität und Anordnung der Fernnetzverbindungen mit Sorgfalt geplant werden müssen. Herkömmliche Zugangsnetze werden mit der 80/20 Faustregel dimensioniert, d. h. es wird durch vernünftige Wahl des Bereichs ungefähr 80% des Datenverkehrs, der von den Teilnehmern erzeugt wird, auf diesen Bereich beschränkt, wobei nur 20% Zugriff auf das Fernnetz erfordern; dieser Lösungsweg kann bei der vorliegenden Erfindung angewandt werden.
Die Kapazität des Netzes oder „Webs" hängt davon ab, wie die Knoten tatsächlich verbunden sind. Siehe das Beispiel eines Netzes 1 von 1, bei welchem jeder Knoten 2 nur mit seinen nächsten Nachbarn verknüpft 3 ist. (Es ist klar, dass die Linien, die die Verknüpfungen 3 zwischen den Knoten 2 in den Zeichnungen darstellen, nur schematisch sind und zeigen, welche Knoten 2 mit welchen anderen Knoten 2 über drahtlose Übertragungen verbunden sind mit Punkt-zu-Punkt-Sichtlinie.) Die Verknüpfungen 3 zwischen den Knoten 2 tragen typischerweise Informationen nicht nur für die benachbarten Knoten sondern auch für Knoten, die weiter entfernt sind. Der Betrag der Bandbreite, die für eine gegebene "übermittelte" Bandbreite erforderlich ist, hängt von dem Anteil der Bandbreite ab, die von einem Knoten weitergeleitet werden muss im Vergleich zu der, die zu dem Knoten übermittelt wird. Dies wiederum hängt von der durchschnittlichen Anzahl an „Hops" ab, die ein Stück Information hinter sich bringen muss, um an sein Ziel zu gelangen. Die Anzahl an „Hops", die erforderlich ist, um von einem Knoten zu dem nächsten zu kommen, hängt davon ab, wie die Knoten genau verbunden sind. In dem Beispiel von 1 muss eine Route wie ABCDEJO verwendet werden, wenn Informationen zwischen A und O gesendet werden sollen, was viele Hops erfordert. Wenn das Netz jedoch wie in 2 gezeigt wäre, könnte die Route ANO sein, wodurch viel weniger Hops erforderlich wären.
Somit ist es wünschenswert, Wege zu finden, um die Knoten zu verbinden, welche die Anzahl an Hops minimieren und die Anzahl an verbundenen Knoten maximieren, während gleichzeitig die Anzahl an Verknüpfungen pro Knoten auf einer vernünftigen Zahl gehalten wird. Dieser letztgenannte Punkt ist wichtig, da trivialerweise ein vollkommen untereinander verbundenes Web, in welchem alle Knoten mit allen anderen verbunden sind, sicherlich am besten ist dadurch, dass die Anzahl an erforderlichen Hops zur Übertragung zwischen zwei beliebigen Knoten nur eins beträgt, jedoch die Anzahl an Verknüpfungen pro Knoten gleich der Anzahl an Knoten ist und somit sehr schnell sehr groß wird.
Eine Möglichkeit der Betrachtung des Problems der Anzahl von Hops (H) besteht darin, den betreuten Zugriffsbereich (A) dergestalt zu betrachten, dass er willkürlich mit N Teilnehmern bevölkert ist. Im Durchschnitt ist die Breite des Bereichs ≈ √A und der mittlere Abstand zwischen den Teilnehmern ist ≈ √(A/N). Somit ist die Anzahl an Hops über dem Bereich H ≈ √N, angenommen, dass die am nächsten gelegenen Nachbarn miteinander verbunden sind. Bei Netzen im Bereich von 10⁶ Teilnehmern, bedeutet dies 1000 Hops zum Überqueren des Netzes. Vorausgesetzt, dass jeder Hop eine endliche Verzögerung (t_d) in die weitergeleiteten Datenverkehrsströme einbringt, ist es essentiell, das Produkt von t_d und N zu minimieren. Eine gesamte Ende-zu-Ende-Verzögerung von < 50 ms ist ein sinnvolles Ziel. Für die Nächste-Nachbar-Konnektivität bedeutet dies, dass die einzelne Knotenverzögerung < 50 μs sein muss. Es ist klar, dass die Nächste-Nachbar-Verbindungs-Modelle wahrscheinlich nicht akzeptable Durchlaufverzögerungen erzeugen, dort wo die Anzahl an Knoten relativ groß ist.
Eine Mischung aus Nächste-Nachbarn und entfernteren Punkt-zu-Punkt (Sichtlinie)-Verbindungen kann deshalb angemessen sein. Auf diese Weise hängt die Anzahl an Hops über dem Netz mehr von seinen Sichtlinie-Eigenschaften als seiner Teilnehmerdichte ab. Wenn z. B. der mittlere Sichtlinienabstand für ein bestimmtes Netz L ist, dann ist H ≈ √A/L und wenn L > √(A/N) ist, wird die Anzahl an Hops über dem Netz bedeutend reduziert.
Ein einfaches Verfahren, um sicherzustellen, dass ein System oder Web 1 der vorliegenden Erfindung keine ausschließliche Nächste-Nachbar-Topologie hat, wird nun in Bezug auf 3 und 4 beschrieben. Wie in 3 und 4 gezeigt ist, ist ein Teil oder das gesamte Web 1 begriffsmäßig in M (willkürliche) geographische Bereiche von ungefähr ähnlichen Populationen unterteilt, wobei M die maximale Valenz eines Knotens ist, d. h. M ist die maximale Anzahl an Verknüpfungen 3, die von einem Knoten 2 unterstützt werden kann. In dem gezeigten Beispiel ist M gleich acht. In der Praxis muss eine jegliche geographische Unterteilung die zur Verfügung stehenden Sichtlinien berücksichtigen. (Es ist zu beachten, dass die anderen Knoten 2 in dem Web 1 und ihre Verbindungen zur besseren Übersicht in 3 und 4 weggelassen wurden).
Bei Betrachtung des Bereichs A in 3 ist ersichtlich, dass der Knoten q im Bereich A durch eine Verknüpfung 3 mit anderen Knoten 2 verbunden wurde, so dass nicht mehr als eine Verbindung zu einem Knoten 2 erfolgt ist, der in demselben Bereich liegt. Wenn alle Knoten 2 auf diese Weise verbunden werden, wird eindeutig sichergestellt, dass Webs 1 mit ausschließlich nächsten Nachbarverbindungen vermieden werden. Strengere Formen dieses Verfahrens sind möglich. Verbindungen können z. B. wie oben erfolgen, wobei jedoch jegliche Verbindung mit einem Knoten 2 (wie Knoten p) in demselben Bereich ausgeschlossen ist. In der Praxis hängt die genaue Form der angewandten Strategie von der Geographie und der äußersten Reichweite eines Knotens 2 ab. Eine weitere Variante des obengenannten Schemas, welches verwendet werden könnte, wenn die Knotenreichweite eingeschränkt ist, bestünde darin, Verbindung nur mit benachbarten Bereichen innerhalb der Reichweite herzustellen, was in 4 gezeigt ist.
Es ist wichtig zu wissen, welche Bandbreite an jeder der Verknüpfungen erforderlich ist, um Verknüpfungen der Bandbreite B zwischen willkürlich gewählten Paaren von Knoten zu erstellen, bis alle Knoten verbunden sind. Nun ist eine vollständige Antwort auf diese Frage komplex, da sie von den erforderlichen Datenverkehrseigenschaften und den erlaubten Routing-Algorithmen abhängt und würde die allgemeine Lösung der obengenannten Bedingungsgleichungen erfordern. Im folgenden findet sich jedoch eine einfache Berechnung, um die erforderliche Bandbreite b einer Verknüpfung herauszufinden, um den Datenverkehr in einem Web oder Netz zu stützen, wobei jeder Knoten in dem Web Quelle und Senke der Bandbreite B ist. Für ein Netz, das mit beliebigen symmetrischen Teilnehmer-Verbindungen umgehen kann, gilt idealerweise: b ≈ B (1)d. h. die erforderliche Verknüpfungs-Bandbreite sollte unabhängig von der Anzahl an Teilnehmern in dem Netz sein und im Bereich des angebotenen Datenverkehrs an jedem Knoten liegen.
Angenommen, dass das Netz kein nächstes-Nachbar-Web ist und im schlimmsten Fall, dass die Daten, für die ein Knoten als Quelle/Senke dient, mit dem am weitesten entfernen Knoten in dem Netz ausgetauscht wird. Die Anzahl an Knoten in einem Web ist N und, wenn jeder Knoten Daten an einen anderen Knoten sendet, sind N Verbindungen aktiv. Für dieses Netz wird angenommen, dass es im Durchschnitt n Hops zwischen einem Knoten und dem von diesem am weitesten entfernten Knoten gibt.
Der Teilnehmer-Datenverkehr erfordert deshalb nBN Bandbreiteneinheiten aus dem Netz. Wenn nun das Netz E Verknüpfungen hat, von welchen jede 2b Dateneinheiten tragen kann (b in jede Richtung), hat das Netz somit 2bE zur Verfügung stehende Bandbreiteneinheiten. Wenn somit die Routing-Probleme ignoriert werden, ist 2bE = nBN.
Somit trägt jede Verknüpfung einen Datenverkehr von einer Bandbreite nBN/2E. Wenn b ≈ B, dann ist nBN/2E ≈ B oder nN/2E ≈ 1, sodass n ≈ 2E/N (2)
Somit impliziert die Verknüpfungsbandbreite-Bedingung (1) eine Bedingung für die mittlere Anzahl von Hops über das Netz (2) in Form der Anzahl an Knoten und Verknüpfungen, die das Web umfassen, dadurch, dass von dem Gesichtspunkt der erwünschten Bandbreite-Eigenschaften, die Größe 2E/N im Bereich der durchschnittlichen Anzahl an Hops über das Web sein sollte.
Bei einem praktischen System sollte n für Echtzeit-Services so klein wie möglich sein, da ein größeres n größere Transitverzögerungen bedeutet. Da jedoch E/N sich auf die Anzahl an in dem Netz möglichen Schleifen bezieht, sollte dies so groß wie möglich sein, um die obengenannten erwünschten Eigenschaften auszunützen. In der Praxis muss ein Kompromisswert gefunden werden.
Zur Untersuchung von Datenverkehrsstau-Problemen, kann ein Symmetrieargument zusammen mit einem konzeptionell einfachen Routing-Algorithmus für das Web verwendet werden. Ein einfacher Routing-Algorithmus gibt an, dass der Datenverkehr von einem Knoten zu einem zweiten Knoten gleichmäßig an jedem Zwischenknoten über jede der Verknüpfungen aufgeteilt wird, die weiter zum Ziel führen. Dies könnte z. B. durch ein einfaches statistisches Multiplexschema erfolgen. Somit wird für die erste Hälfte der Reise der Datenverkehr über das Web verschmiert und für die zweite Hälfte konzentriert sich der Datenverkehr auf den Zielknoten. Wenn nur eine einzelne Verbindung aktiv wäre, wäre mit diesem Algorithmus die Datenverkehrsdichte um die zwei Endknoten herum dichter und zwischen diesen geringer. Wenn alle Verbindungen aktiv sind, tendieren die Beiträge zur Datenverkehrsdichte dazu, sich in Abhängigkeit der Websymmetrie auszumitteln. Wenn es ein hohes Maß an Symmetrie in dem Web gibt, wird die Anzahl an Datenverkehr „hotspots" minimiert und das Routen tendiert nicht zum blockieren. Somit ist es zum Steigern der Belastungs-Ausgleicheigenschaften des Netzes wünschenswert, dass die Topologie so symmetrisch wie möglich ist.
Es ist instruktiv, zu bedenken, was die obengenannten Datenverkehrseigenschaften in einem Funkkontext bedeuten. Wenn es möglich wäre, Webs von Knoten mit den obengenannten Eigenschaften zu erstellen, könnten N Knoten mit Verknüpfungen einer Bandbreite B nur mittels eines Funkspektrums von B Hz (unter Verwendung der vereinfachenden Annahme von einem Bit pro Hertz) verbunden werden. In der Tat ist dies aus praktischen Gründen nicht einfach zu erreichen (und dies wird im Detail weiter unten erörtert), diese Eigenschaft ist jedoch extrem wichtig, da sie zeigt, dass diese Struktur prinzipiell spektral viel effektiver ist als die Zellular-Architektur, was im folgenden erörtert wird.
Ein einfaches praktisches Beispiel eines Netz- oder Websystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt. Bei dem gezeigten Beispiel gibt es sechzehn Teilnehmer oder Benutzer, die jeweils einem Netzknoten 2 zugeordnet sind. Das System 1 ist über Verbindungsleitungen 4 verbunden, die ausgewählte Knoten 2 mit einem Fernnetz 5 verbinden. Jeder Knoten 2 hat eine Funk-Transceiver-Einheit, die Hochfrequenzsignale senden und empfangen kann, z. B. zumindest bei 1 Gigahertz (GHz) oder 2,4 GHz oder 4 GHz oder sogar bis zu oder mehr als 40 GHz. Die Transceiver-Einheit jedes Knotens 2 ist durch direkte Sichtverbindungen 3 in direktem Sichtkontakt mit vier anderen ähnlichen Einheiten bei jeweils anderen Knoten 2. Wiederum ist es klar, dass die Linien, die die Verknüpfungen 3 zwischen den Knoten 2 in 5 darstellen, nur schematisch sind und zeigen, welche Knoten 2 in einer Punkt-zu-Punkt-Weise, mit welchen andere Knoten 2 über drahtlose Übertragungen verbunden sind. Es ist in 5 gezeigt, wie die Knoten 2 eines Systems oder Netzes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander über andere Knoten 2 kommunizieren können, falls erforderlich, um Gebäude 6 oder andere Hindernisse zu vermeiden, die anderenfalls die direkten Sichtlinie-Verbindungen zwischen bestimmten Knoten 2 blockieren. Es sollte beachtet werden, dass jeder Knoten 2 in diesem Beispiel des Systems 1 mit derselben Anzahl n an anderen Knoten in einer Hyperwürfel-Topologie verbunden ist. Dies ermöglicht eine effektive Verwendung des Systems 1. Es ist jedoch möglich, dass einige Knoten in dem System 1 mit weniger als n anderen Knoten in einem weniger perfekten Hyperwürfel verbunden sind.
Wie oben erwähnt und im folgenden weiter erklärt, wird normalerweise eine Nachricht von einem beliebigen bestimmten Knoten 2 zu einem anderen bestimmten Knoten 2 mehrere Verknüpfungen 3 zwischen mehreren Knoten 2 in einer Reihe von „Hops" das System durchlaufen. Jeder Durchlauf eines Signals durch einen Knoten 2 erzeugt eine Verzögerung beim Signaltransfer. Die Verzögerung kann nur ungefähr eine Millisekunde betragen, wenn es jedoch eine sehr große Anzahl an Knoten gibt, könnte sich diese Verzögerung schnell in bedeutenden Bruchteile einer Sekunde aufbauen. Solch relativ lange Verzögerungen wären generell nicht akzeptabel bei interaktiven Services wie Sprach-Datenverkehr, Videokonferenz etc. Es ist somit höchst erwünscht, die maximale Anzahl an Hops, die für den Transfer eines Signals durch das System 1 erforderlich ist, zu minimieren. Die Hyperwürfel-Struktur liefert z. B. eine effektive Weise, viele Benutzer mit einer kleinen Anzahl an maximalen Hops zu verbinden, die erforderlich sind, um ein Signal zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten zu übertragen.
Weiterhin hat jede Verknüpfung 3 eine bestimmte feste Informationstragekapazität, die zum Großteil in der Praxis durch die Bandbreite des Trägersignals, das verwendet wird, um Informationen zwischen Knoten 2 zu senden, bestimmt wird. Jede Verknüpfung 3 trägt Informationsdaten, die für einen Knoten vorgesehen sind, der mit der Verknüpfung 3 verbunden ist, und auch „Transit" daten, die für andere Knoten vorgesehen sind. Jede Verknüpfung 3 trägt tatsächlich ungefähr n mal die Menge an Transitdaten für jedes Informationsdatum, das von der Verknüpfung getragen wird. Somit ist es generell besser, eine relativ kleine Anzahl an Verknüpfungen 3 zwischen Knoten 2 zu haben (d. h. eine Topologie mit kleinen Dimensionen), da dies die Bandbreite vergrößert, die jeder Nachricht zur Verfügung steht, da weniger Nachrichten insgesamt von jeder Verknüpfung 3 getragen werden müssen.
Bei einem System mit einer hyperwürfelartigen Topologie, d. h. wenn jeder Knoten mit n anderen Knoten verbunden ist, ist die maximale Anzahl an Knoten in einem solchen System, die der maximalen Anzahl N an Benutzern des Systems entspricht, 2ⁿ wobei es nur einen Teilnehmer pro Knoten 2 gibt. Die maximale Anzahl an Hops, die erforderlich ist, um Informationen von einem beliebigen Knoten an einen anderen zu übertragen ist n. Die gesamte Anzahl an Verknüpfungen E = n·2^(n–1) = (N/2)log₂N. Es gibt n! mögliche topologisch äquivalente Routen, mit denen Informationen das System durchqueren können, was bedeutet, dass ein guter Service für die breite Mehrheit von Benutzern beibehalten werden kann, selbst wenn einer oder mehrere Einzelknoten aus irgendeinem Grund versagen, da andere Routen, auf denen Nachrichten das System kreuzen können, gefunden werden können. Um einen Bereich von 65536 Benutzern mittels einer Hyperwürfel-Topologie zu bearbeiten, mit der Einfachheit halber einem Benutzer pro Knoten, ist n = 16. Mit anderen Worten muss bei einem System für 65536 Benutzer, jeder Benutzerknoten mit 16 anderen Benutzerknoten verbunden sein und maximal 16 Hops sind erforderlich, um Informationen von einem beliebigen Knoten an einen anderen beliebigen Knoten in dem System zu übertragen.
Topologien mit einem hohen Maß an Knoten-Interkonnektivität unterstützen viele mögliche äquivalente Routen durch das System 1, die jeweils eine relativ geringe Anzahl an Hops haben. Die Knoten-Komplexität in Bezug auf die Anzahl an Verknüpfungen 3, die jeder Knoten 2 benötigt, skaliert nur sehr langsam mit der Größe des Systems 1 bei einer Topologie wie einer Hyperwürfel-Topologie. Das Verhältnis zwischen Benutzerbandbreite und resultierender Verknüpfungs-Bandbreite ist gering, möglicherweise geringer als Eins aufgrund der mehrfachen Routing-Möglichkeiten. Die Knoten 2 können aufgrund ihrer gemäßigten Bandbreiteanforderungen kostengünstig sein. Die Knoten 2 können identisch sein, was geringe Installationskosten und einen einfachen Betrieb, Management und Wartung zur Folge hat.
Die Faktoren, die über die optimale Topologie entscheiden, die verwendet werden soll, beinhalten Nachrichten-Datenverkehrsmuster, Geographie des Landes, in welchem das System implementiert wird, Benutzerstandortdichte und Systemanwendung (z. B. Videoon-demand oder Internet web-browsing).
Eine alternative Topologie ist eine vollständig verbundene Topologie, die beispielhaft in 6 gezeigt ist. Jeder Knoten 2 ist mit jedem anderen Knoten 2 verbunden und somit muss bei einem N Knotennetz, jeder Knoten 2 eine Zahl von (N – 1) externen Verknüpfungen 3 mit anderen Knoten 2 unterstützen. Die Gesamtzahl an Verknüpfungen 3 ist deshalb N(N – 1)/2. Diese Topologie ist am besten geeignet für eine relativ geringe Anzahl an Knoten 2, z. B. wenn N kleiner als 10 ist. Hinzufügen von Knoten 2 zu einem solchen System 1 bedeutet, dass alle existierenden Knoten 2 modifiziert werden müssen, um mit einem beliebigen neuen Knoten 2 verbunden zu werden. Der Hauptvorteil eines solchen Systems 1 besteht darin, dass nur ein Hop erforderlich ist, um eine Nachricht von einem beliebigen Knoten 2 an einen anderen Knoten 2 zu übertragen. Somit ist eine vollständig verbundene Topologie am besten geeignet, um eine geringe feste Anzahl an Knoten 2 zu verbinden.
Eine andere alternative Topologie ist eine lineare Kettentopologie, die beispielhaft in 7 gezeigt ist. Jeder Knoten 2 ist mit zwei anderen verbunden. Bei einem System 1 von N Knoten 2 gibt es somit N Verknüpfungen 3 und Informationen erfordern N/2 Hops, um das System 1 zu durchqueren. Da der gesamte Nachrichtenverkehr sich auf die Kette der Verknüpfungen 3 konzentriert, muss jede Verknüpfung 3 eine hohe Bandbreite haben (ungefähr N/2 mal die Bandbreite, die für jeden Knoten 2 erforderlich ist), was die Anzahl an Knoten, die in einer solchen Topologie verbunden werden kann begrenzen kann. Ein Hauptvorteil einer solchen Topologie ist die relative Einfachheit der Knoten 2, die jeweils nur zwei externe Verknüpfungen 3 haben.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Topologie ist eine Baumtopologie, die beispielhaft in 8 gezeigt ist. Bei einer homogenen Baumtopologie ist jeder Knoten 2 mit einer festen Anzahl an anderen Knoten 2 so verbunden, dass es keine „Schleifen" gibt, d. h. es gibt keine Wege, die verfolgt werden können, die durch denselben Knoten 2 mehr als einmal gelangen. Bei einem Baum mit Knoten 2, die mit J anderen „niedrigeren" Knoten 2 verbunden sind und L Ebenen haben, ist die Anzahl an Knoten 2 die geometrische Reihe:
die bei großen J zu J^L tendiert. Ein Nachteil dieser Topologie besteht darin, dass bei jedem Hop von einem Knoten 2 entfernt, die Knoten 2 genau 7 mal die Spitzenbandbreite der Knotenverbindung abarbeiten müssen, was stark erhöhte Bandbreitenanforderungen beim Herabsteigen des Baums impliziert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, das die Knoten 2 sich zwischen den Ebenen unterscheiden, da sie unterschiedlich funktionieren müssen, was bedeutet, dass ein Systemprovider unterschiedliche Knoten für jede Ebene einsetzen und handhaben muss. Ein Vorteil besteht jedoch darin, dass höchstens zwei Hops erforderlich sind, um eine Nachricht von einem beliebigen Knoten 2 an einen anderen beliebigen Knoten 2 auf derselben Ebene zu übertragen (z. B. der niedrigsten Ebene in 8).
Eine inhomogene Baumtopologie entspannt die Anforderungen für die festzulegende Anzahl an verbundenen niedrigeren Knoten 2, obwohl sie in anderer Hinsicht ähnlich zu der oben beschriebenen homogenen Baumtopologie ist.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Topologie zum Verbinden der Knoten 2 ist eine Gittertopologie, die beispielhaft in 9 gezeigt ist. Die Knoten 2 sind in frei wählbarer Weise bis zu einer festen Anzahl n an nächsten Knoten 2 verbunden. Bei einer Gitterstruktur, von welcher ein Teil in 9 gezeigt ist, wobei n = 4 ist, und die z. B. für N = 10000 Knoten 2 ausgelegt ist, kann eine Nachricht √N = 100 Hops erfordern, um das System 1 zu durchqueren, was nicht akzeptable Durchquerungsverzögerungen zur Folge haben kann. Auch die Bandbreiteanforderungen jeder Verknüpfung 3 können hoch sein, da sie ungefähr (√N)/2 mal die Bandbreite ist, die von jedem Benutzer gefordert wird.
Es ist klar, dass welche Topologie auch immer für das System ausgewählt wird, diese auf die im Endeffekt zweidimensionale Geographie eines geographischen Bereichs abgeglichen werden muss, was unvermeidlich erfordert, dass einige Verknüpfungen 3 länger als andere sind. Mit der vorliegenden Technologie haben Hochfrequenz-Sender, die z. B. 40 GHz Frequenzen senden, nur eine Reichweite von ca. 500 m bis 2 km oder möglicherweise höchstens bis zu ca. 4 oder 5 km. Es besteht daher ein Problem bei der Bereitstellung von Verknüpfungen 3 zwischen Knoten 2, die mehr als ca. 2 km voneinander entfernt sind. Dies kann überwunden werden durch Begrenzen eines Systems auf eine relativ kleine Anzahl an Knoten 2, z. B. 1024 Knoten 2. Ein solches System 1 kann dann mit anderen ähnlichen Systemen 1 derselben oder einer ähnlichen Größe verbunden werden mittels einer großen Antenne und Funkverbindung, Lichtleitfaserverbindung etc. Systeme 1 mit unterschiedlichen Topologien können miteinander verbunden werden.
Das Netz 1 kann auch eine Mischung aus Topologien sein.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es mehrere Verknüpfungen pro Knoten, die in frei wählbare Richtungen ausgerichtet sind. Dies könnte mit mehreren Funksystemen pro Knoten erreicht werden. Im Vergleich zu einem typischen Zellularsystem, das nur ein Funksystem pro Teilnehmer hätte, würden dadurch jedoch die Knoten bedeutend teuerer werden als bei den entsprechenden Zellen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Funkwellen in dem hohen GHz Bereich arbeiten, wo dieses Element des Systems wahrscheinlich ein bedeutender Teil der Knotenkosten ist.
Um eine Winkelerfassung von 360° bei einem Knoten zu erhalten, können eine oder mehr Antennen verwendet werden, die entweder elektrisch oder physikalisch gesteuert werden können und in eine beliebige azimutale Richtung weisen können, oder eine Anordnung von festen Antennen, die jeweils in eine unterschiedliche Richtung weisen, so dass jegliche bestimmte Richtung von einer der Antennen zugänglich ist.
Die genaue Anzahl M an Antennen muss gewählt werden, um eine komplette Winkelerfassung zu erhalten, ohne den Verknüpfungszuwachs nachteilig zu beeinträchtigen. Es ist zu beachten, dass M größer als n sein kann, die maximalen aktiven Verknüpfungen pro Knoten. Es ist jedoch aus Kostengründen bevorzugt, nur einen Transceiver pro Knoten zu verwenden, anstelle M Paare von Transceivern an jedem Knoten bereitzustellen, wobei jedes Paar kontinuierlich mit einer einzelnen Antenne verbunden ist, und Zeitmultiplexing (TDM) und Zeitduplex (TDD) Techniken zu verwenden, um den Transceiver mit einer Antenne zu verbinden. Ein Knoten hat deshalb nur ein Transceiverpaar, das alle M Antennen verwenden können muss. TDM kann verwendet werden, um die Antennen zeitlich mit dem Transceiver zu teilen. TDD kann verwendet werden, um zwischen dem Empfangs/Sende-Betrieb des Knotenfunks abzuwechseln, so dass er niemals gleichzeitig empfängt und sendet. Frequenzmultiplexing oder Codemultiplexing könnte als Alternative zu TDM verwendet werden. Frequenzduplex könnte als Alternative zu TDD verwendet werden. Andere alternative Schemata sind möglich.
Die Grundstruktur der Hochfrequenzteile eines Knotens 2 ist in 10 gezeigt. Ein Empfänger 10 und Sender 11 sind abwechselnd mit einem M-Wege-Schalter 12 verbunden, welcher Hochfrequenz (HF) Leistung von den und zu den Antennen 13 führt.
Ein einfaches Planungsschema zur Verbindung von Antennen 13 ist in der Zeitschlitzstruktur von 11 für M = 8 gezeigt. Die Zeit ist gleichmäßig in „Rahmen" 20 unterteilt und jeder Rahmen 20 ist gleichmäßig in eine Sendephase 21 und Empfangsphase 22 unterteilt. Die Sende- und Empfangsphasen 21, 22 selbst sind in gleichlange Zeitschlitze 23 unterteilt. Jeder dieser Zeitschlitze 23 wird für eine Verknüpfung 3 von einem Knoten 2 verwendet. Somit sendet jeder Knoten 2 in einem Zeitschlitz 23 an eine Verknüpfung 3, dann der nächste Zeitschlitz 23 an die nächste Verknüpfung 3 und so weiter, worauf in einem Zeitschlitz 23 an einer Verknüpfung 3 empfangen wird und dem nächsten Zeitschlitz 23 an der nächsten Verknüpfung 3 usw. Jeder Empfangs-Zeitschlitz 23 jedes Knotens ist lange genug, um sicherzustellen, dass ein Signal, das von anderen Knoten 2 gesendet wurde, ausreichend Zeit hat, um zu dem betreffenden Knoten 2 zu gelangen und auch vollständig an dem betreffenden Knoten 2 empfangen zu werden, insbesondere um sicherzustellen, dass das Datenpaket und jegliche Sicherheitsbänder empfangen werden.
Eine Wechselsequenz ist nicht die einzig mögliche Weise zum Adressieren der Antennen 13. Die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite an einem Knoten 2 kann unterteilt werden, in dem mehr oder weniger Zeitschlitze 23 innerhalb eines Empfangs- oder Sende-Halbrahmens 21, 22 einer Antenne 13 zugeordnet werden. Dies ist in den Matrizen in 12 gezeigt. Die Spalten der Matrizen stellen die acht Antennen 13 an einem Beispielknoten 2 dar und die Reihen acht mögliche Empfangs/Sende-Zeitschlitze 23. Eine '1' in einer Zelle zeigt an, welche Antenne 13 während welchem Zeitschlitz 23 aktiv ist. Ein '–' in einer Zelle deutet auf keine Aktivität einer Antenne 13 in einem bestimmten Zeitschlitz 23 hin. Die Anzahl der '1' darf nicht die Gesamtzahl der zur Verfügung stehenden Zeitschlitze 23 überschreiten.
In 12A hat jede Antenne einen Zeitschlitz, sodass jede Verknüpfung eine Bandbreiteneinheit tragen kann. In 12B hat die Antenne A0 zwei zugeordnete Zeitschlitze und kann somit zwei Bandbreiteneinheiten tragen. Die Antennen A1, A2 und A7 haben jeweils einen zugeordneten Zeitschlitz und die Antenne A4 hat drei zugeordnete Zeitschlitze. Die Antennen A3, A5 und A6 haben keine zugeordneten Zeitschlitze und sind somit in Ruhe. In 12C wurden alle Zeitschlitze der Antenne A4 zugeordnet. Dies bedeutet, dass die Antenne A4 zugeordnete Verknüpfung acht Bandbreiteneinheiten tragen kann, während alle anderen in Ruhe sind.
Wenn TDM/TDD verwendet wird, um die Zeit zwischen den Verknüpfungen 3 aufzuteilen, bedeutet dies nicht, dass die Zeit, die eine Verknüpfung 3 aktiv ist, auch in Zeitschlitze unterteilt wird. Da jede Verknüpfung 3 nur mit zwei Knoten 2 verbunden wird, besteht kein Bedarf an einer weiteren Zeit-Unterteilungsstruktur für Mehrfachzugriffzwecke an einer Verknüpfung 3 für die Zwecke der vorliegenden Erfindung.
Bei Betrachtung des Bedarfs der Synchronisation des Sendens und Empfangens durch die Knoten 2 müssen, wenn einer der Knoten 2 sendet, alle Knoten 2 an welche er sendet, empfangen. Dies ist nur mit bestimmten Web-Topologien möglich. Viele Topologien erfüllen diese Sende/Empfangsphase, wenn alle Übertragungswegschleifen in dem Web eine gerade Anzahl an Seiten haben.
Die Kommunikationsknoten 2 müssen nicht nur synchron senden oder empfangen sondern auch bezüglich der Zeitschlitznummer übereinstimmen, die sich verwenden. In Bezug auf 13 müssen beide Knoten A und B denselben Zeitschlitz für die Verknüpfung 3 zwischen ihnen verwenden, z. B. Zeitschlitz 1 für A übertragen und Zeitschlitz 1 für B empfangen. In ähnlicher Weise müssen A und C denselben Zeitschlitz für die Verknüpfung zwischen ihnen verwenden, z. B. Zeitschlitz 2 etc. Jeder Knoten 2 kann jedoch jeden Zeitschlitz nur einmal verwenden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Anforderung im gesamten Netz exakt erfüllt. Somit ist jede Verknüpfung 3 in dem Netz 1 einer Zeitschlitznummer zugeordnet, so dass kein Knoten 2 mehr als eine Verknüpfung mit derselben Zeitschlitznummer hat. Außerdem ist es erwünscht, die gesamte Anzahl an erforderlichen Zeitschlitzen zu minimieren. Wenn die maximale Anzahl an Verknüpfungen pro Knoten Mist, ist es klar, dass mindestens M Zeitschlitze erforderlich sind. Bei einer beliebigen Netz-Topologie mit Schleifen mit einer geraden Anzahl an Seiten, können, wenn M die maximale Knotenvalenz des Netzes ist, M Zeitschlitze konstant in diesem Netz zugeordnet werden.
Es ist klar, dass unterschiedliche Gruppen von Knoten 2 zu jedem Zeitpunkt miteinander kommunizieren können. Mit anderen Worten können unterschiedliche Übertragungswege in dem System 1 aktiv sein und zu jedem Zeitpunkt einen Datenverkehr tragen.
Im folgenden wird auf 14 Bezug genommen, welche einen Teil eines Webs 1 zeigt. Unter Verwendung der oben beschriebenen Sende/Empfangs-Synchronisation und Zeitschlitz-Zuordnungsregeln werden die Knoten ABCDEF sich nicht gegenseitig stören. Es könnte jedoch ein Problem mit Knoten G und H geben, da die Verknüpfung zwischen den Knoten D und C den Zeitschlitz 2 verwendet. Nun wird das Funksignal für diese Verknüpfung nicht bei C aufhören, sondern wird weitergehen und kann von dem Empfänger in Knoten N detektiert werden, welcher ebenfalls während dieses Zeitschlitzes mittels einer Antenne, die in eine ähnliche Richtung weist, empfangen wird. In der Theorie kann es möglich sein, Netz-Topologien auszubilden, die diese Situation irgendwie vermeiden, jedoch ist dies in der Praxis angesichts der Komplexität der echten Teilnehmer-Positionen wahrscheinlich unmöglich. Das System sollte in der Praxis deshalb so angeordnet werden, dass, selbst wenn die geometrische Anordnung so wie gezeigt ist, die Tatsache, dass Ds Signale bei H detektiert werden können, keine Störung der Signale, die bei H von E empfangen werden, hervorruft.
Dies kann erreicht werden, indem ein Satz von Frequenzkanälen verwendet wird, und indem einer von diesen jeder Verknüpfung in dem Netz so zugeordnet wird, dass alle sich potentiell störenden Verknüpfungen auf unterschiedlichen Kanälen sind. Der Satz Kanäle sollte so klein wie erforderlich sein. Diese Anforderung für eine minimale Anzahl an Frequenzkanälen bezieht sich auf die Strahlbreite der Knotenantenne. Bei großen Breiten ist der Bereich der Störzone PDQ in 14 ebenfalls groß und somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass Knoten wie G und H in diesem liegen, großer. In ähnlicher Weise ist bei kleinen Strahlbreiten der Zonenbereich klein und enthält somit weniger Knoten.
Bei dem gezeigten Beispiel würde dies bedeuten, dass die Verknüpfung DC auf einem anderen Frequenzkanal als die Verknüpfung GH ist. Das Zuordnen von Frequenzkanälen ist eine komplexe Aufgabe. Systemmodellierungen wurden durchgeführt, um dieses Thema zu untersuchen, mit dem Ergebnis, dass der Frequenz-Wiederbenutzungsfaktor ähnlich zum zellulären Fall ist, d. h. irgendwo zwischen 6 und 10.
Die Auswirkung davon auf den Aufbau der Knoten 2 besteht darin, dass das Funksystem frequenzagil sein muss und sich auf einen unterschiedlichen, vorab zugeordneten Kanal an jedem Zeitschlitz umstimmen muss.
Wie bei allen Kommunikationssystemen tendieren die einzelnen Verknüpfungen 3 zu Störungen und Schäden. Probleme innerhalb sehr kurzer Zeitmaßstäbe werden durch Standardmaßnahmen gehandhabt, einschließlich Forward Error Correction und erneutem Senden. Manchmal unterliegt eine Verknüpfung 3 Problemen, die sie gewissermaßen nutzlos machen. Bei einem Netz gemäß der bevorzugten Ausführungsform gibt es jedoch immer eine große Anzahl an äquivalenten Routen zwischen zwei beliebigen Knoten 2, so dass dem Verlust einiger Verknüpfungen 3 durch erneutes Routen der Verbindung entgegengewirkt werden kann.
Der Verlust von Verknüpfungen tritt bei mehreren Zeitmaßstäben auf. Mittelfristig kann ein vorübergehender Verlust für einige Sekunden oder Minuten durch große Fahrzeuge verursacht werden, die in der Nähe fahren, oder vielleicht eine Rauchwolke von einem Feuer. Das Netz wird damit fertig, indem es den Datenverkehr neu routet, um die Problembereiche zu vermeiden, bis sich die Verknüpfung wieder erholt hat. Bei längeren Zeitmaßstäben kann eine Verknüpfung 3 verloren gehen, da die Sichtlinie permanent blockiert ist. Dies kann durch ein neues Gebäude oder Baumwachstum bewirkt werden. Diese Verluste sollten auf der Ebene der Netzwerkplanung behandelt werden. Als Hintergrundaktivität kann das Netz konstant alle verfügbaren Sichtlinien überwachen (d. h. Verknüpfungen 3 zwischen Knoten) einschließlich derer, die derzeit nicht für Teilnehmer-Datenverkehr verwendet werden. Bei einem Zeitmaßstab von Stunden und Tagen oder sogar Minuten oder Sekunden, kann das Netz automatisch neu konfiguriert werden, um unterschiedliche Untermengen der verfügbaren Sichtlinien zu verwenden, um die Betriebsparameter zu optimieren.
Einige Teilnehmer können sehr strikte Anforderungen an die Verknüpfungs-Verfügbarkeit haben und Verknüpfungen hoher Integrität erfordern, so dass ihre Kommunikation nicht für ein Versagen an einem Punkt anfällig ist. Bei einem solchen Datenverkehr können mehrere Wege (m) durch das Netz verwendet werden. Zwei Betriebsverfahren sind möglich. Beim ersten trägt jeder Weg ein Duplikat der Teilnehmerdaten, so dass der Empfangsknoten 2 Daten von einem beliebigen aktiven Weg akzeptieren kann. Dies erfordert m mal die Grundbandbreite (B) des Teilnehmers für die Verbindung, ist jedoch einfach zu implementieren. Beim zweiten trägt jeder Weg einen Teil der Teilnehmerdaten (mit zusätzlichen Paritätsinformationen), so dass der Empfangsknoten 2 die von beliebigen m – 1 Wegen empfangenen Daten und den Paritätsinformationen rekonstruieren kann. Dabei werden insgesamt nur αB Bandbreiteneinheiten verwendet (α = Paritätsinformations-Overhead > 1). Das zweite Beispiel für ein Betriebsverfahren kann erweitert werden, so dass es vor mehrfachen Wegversagen schützt, ist jedoch komplexer als das erste Betriebsverfahrensbeispiel.
Die Verfügbarkeit von mehreren Wegen ist eine inhärente Eigenschaft der bevorzugten Ausführungsform eines Webs 1 der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich ist das Bereitstellen von mehreren physikalischen Wegen in einem auf Kabel oder Draht basierenden Netz sehr teuer.
Bei der obengenannten Beschreibung wird ein Zeitschlitz 23 verwendet, um die gesamte Bandbreite an einer Verknüpfung 3 zu stützen. Dadurch wird die Rohdaten-Transferrate maximiert, es ist jedoch immer wichtig, die spektrale Effektivität beizubehalten.
Eine generelle Berechnung der spektralen Effektivität eines Netzes gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Zellular-Methoden ist nicht einfach zu berechnen, da viel von der exakten Implementierung abhängt. Ein Lösungsweg mit Zellen erfordert jedoch ungefähr:
α·N·B_subs·F_cell Bandbreiteeinheiten, wobei:
α der maximale Bruchteil der aktiven Teilnehmer ist
N die Anzahl der Teilnehmer ist
B_subs die Bandbreite ist, die für einen Teilnehmer erforderlich ist
F_cell der Zellularfrequenz-Wiederbenutzungsfaktor ist
und eine Modulationstechnik angenommen wird, die ein Bit/Hz liefert.
Die vorliegende Erfindung erfordert ungefähr
n·B_link·F_web Bandbreiteeinheiten, wobei:
n die maximale Anzahl an Verknüpfungen/Zeitschlitzen an einem Knoten ist
B_link die Bandbreite einer Verknüpfung ist
F_web der Frequenz-Wiederbenutzungsfaktor ist, der erforderlich ist, um Störungen in der vorliegenden Erfindung zu minimieren;
wobei wiederum von einer Modulationstechnik ausgegangen wird, die ein Bit/Hz liefert.
F_cell ist typischerweise im Bereich von 6 bis 10 und Computermodellierung hat gezeigt, dass F_web im wesentlichen gleich groß ist. Die Computermodellierung wurde für eine Anzahl an Szenarien durchgeführt und ein vernünftiger Parametersatz ist n = 8 und B_link gleich B_subs.
Dies liefert die Effektivität der Web-Methode bezüglich der Zellular-Methode zu: (α·N)/n
Bei einer Zelle, die 1000 Benutzer und eine aktive Spitzenlast von 20% umfasst (eine typische Schätzung für Video-on-demand-Services), ist die relative Effektivität 25-fach. Dies ist extrem wichtig, da es einen großen Bedarf an Funk-Bandbreite gibt und folglich die Regulations- und Lizenz-Behörden nur relativ schmale Bereiche des Funkspektrums lizenzieren können. Die vorliegende Erfindung beinhaltet viel niedrigere Anforderungen an das Funkspektrum als ein Zellensystem, das eine vergleichbare Benutzerbandbreite bereitstellt.
Ein einfaches Beispiel eines Routing-Protokolls wird im folgenden beschrieben. Das System 1 eignet sich gut für die Verwendung der asynchronen Transfermodus (ATM) Technologie, die verbindungsorientierte (leitungsvermittelt) oder verbindungslose (paketgeschaltete) Datenverkehrsmodi durch Transfer von 53 Byte-Informations-„Zellen" unterstützen kann.
Bei einem Hyperwürfel-Topologie-Netz mit n Verbindungen an jedem Knoten 2 kann jede ausgehende Verbindung mit einem Index (0 ... n – 1) gekennzeichnet werden. Ein Weg durch das Netzsystem 1 kann dann durch eine Liste solcher Indizes definiert werden. Wie aus dem obigen hervorgeht, ist die maximale Länge dieser Liste n Einträge.
Im allgemeinen kann ein Informationspaket vom Typ Nachricht definiert werden, welches zwei Komponenten hat:
Informationszellen-Payload (Zelle), und
Routing-Adresse (L)
Die Routing-Adresse ist die absolute Adresse eines Knotens 2 in dem Netzsystem 1. Jeder Knoten 2 hat Zugriff auf seine eigene Adresse (my_L in dem unten erörterten Code). Wie das Adressieren in einem solchen System 1 funktioniert, ergibt sich aus dem Adressieren der Punkte an einem einfachen drei-dimensionalen Einheitswürfel, der in 15 gezeigt ist. Jeder Knoten 2 hat einen gekennzeichneten Satz von Kanälen, die man sich als Kartesische Achsen vorstellen kann, in diesem Fall X, Y und Z. Somit hat jeder Knoten 2 einen X-Kanal, einen Y-Kanal und einen Z-Kanal.
Die Adresse (L) eines Knotens 2 in einer 3-dimensionalen Würfelgeometrie ist eine der acht 3-Vektoren: (0,0,0), (1,0,0), ... (1,1,1). Eine Bewegung durch den Würfel von einem Hop entlang einer Verknüpfung 3 (d. h. quer zu einem Rand) ist durch das folgende Verhältnis zwischen der Anfangsadresse (L1) und Endadresse (L2) dargestellt: |L1 – L2| = 1
Somit ist eine Bewegung nach „vorne" definiert durch L1 – L2 = 1 und eine Bewegung „nach hinten" durch L1 – L2 = –1.
Der Routing-Algorithmus, gezeigt auf Seite 46, der in jedem Knoten 2 des Systems 1 repliziert ist, wird im Prinzip ein korrektes Zellen-Routing sicherstellen.
Die Funktion der handleReturnedMessage-Funktion besteht darin, die entsprechende Handlung bei einer zurückgekehrten Nachricht zu ergreifen. Diese Strategie hängt von der Art des unterstützten Datenservices ab. Sie könnte eine der folgenden sein:

1. Rücksenden der Nachricht an den Sender, d. h. Propagieren der Nachricht den ganzen Weg zurück an den Absender. Dies sollte dem Absender signalisieren, dass ein Stau besteht und das Senden von Informationen für eine Zeitspanne unterbrochen werden sollte.
2. Speichern der Nachricht für eine Zeitspanne, dann versuchen, sie wie zuvor an ihr Ziel zu senden.
3. Weiterleiten der Nachricht, wobei eine unterschiedliche Route forciert wird, z. B. durch Wählen eines Ausgangskanals, welcher einen geringen Stau aufweist.
4. Verwerfen der Nachricht unter der Annahme, dass ein Datenverknüpfungs-Protokoll auf höherer Ebene den Verlust detektieren und den Absender veranlassen wird, die Nachricht erneut zu versenden.

Die Prozedur Verfahren SendPacket (msg, next_node) sendet konzeptuell die Message msg an die Ausgangsverknüpfung 3 mit Index next_node. Die Prozedur ProcessCell (Zelle) ist verantwortlich für das lokale Verarbeiten der Informationszelle und Verfügbarmachen für den Benutzer.
Die decideNextChannel-Funktion hat eine Funktionalität, welche spezifisch für die Netztopologie ist. Ein Beispiel ist für eine Hyperwürfel-Topologie auf Seite 47 dargelegt, wo ActiveChannels die Anzahl an derzeit konfigurierten Kanälen an einem Knoten 2 ist (welche für jeden Knoten 2 in dem System variieren kann) und MaximumChannelUtilisation ist der Wert, bei und oberhalb welchem der Ausgangskanal als bei voller Kapazität betrachtet werden kann und deshalb keinen weiteren Datenverkehr akzeptieren kann.
Wenn die momentane Verwendung eines Ausgangskanals ein Maß der Datenverkehrsbelastung dieses Kanals über eine direkt vorhergehende Zeitperiode ist, könnte ein solches Maß der Datenverkehrsbelastung einer oder eine Kombination der folgenden Faktoren sein:

1. Die Anzahl der derzeit zugeordneten Kommunikationsschaltungen an der Verknüpfung
2. Die Datenmenge, die zu dieser Verknüpfung gesendet wurde.

Außerdem kann die ChannelUtilisation-Funktion verwendet werden, um nicht existierende Verknüpfungen wie im Falle eines teilweise vollständigen Hyperwürfels zu steuern. In diesem Fall könnte die Verknüpfungs-Verwendung permanent auf MaximumChannelUtilisation gesetzt sein.
Eine kontinuierlich betriebene Funktion eines Knotens wäre die Überwachung dieser Belastung und zu ermöglichen, dass die Routing-Software einen Wert annimmt, der sich auf die derzeitige Belastung für eine gegebene Verknüpfung bezieht. Dies ist die Funktion von ChannelUtilisation (channel).
Die Prozedur MapWeightedChannelToBestChannel übersetzt den eingehenden gewichteten Kanalindex in einen echten Ausgangskanal für den Knoten. Der einfachste nicht triviale Fall wäre der, wenn die Ausgangskanäle durch ganzzahlige Werte bezeichnet würden, z. B. 0 bis 7 und die Abbildung der echten gewichteten Kanalnummer darauf einfach eine Rundungsoperation ist. Der gewichtete Kanalwert 6.7152 wird z. B. auf Kanalindex 7 abgebildet.
Die Leistung des Systems 1 wurde in erster Linie in Bezug auf seine Fähigkeit beschrieben, Daten in einem Cluster von Knoten 2 zu bewegen. Für viele Arten von Dienstleistungen ist es jedoch erforderlich, dass sie in ein Fernnetz 5 verbunden werden, wie in 5 gezeigt ist. Bei einem Netz von z. B. 250 Benutzern, das in erster Linie für 5 Mbps Video-on-demand (VOD) Service mit einer Beastung von z. B. 0,1 Erlang pro Benutzer verwendet wird, beträgt die gesamte Bandbreite, die von dem Fernnetz gefordert wird, 375 Mbps, angenommen, dass kein Quellmaterial abwandert. Da die maximale Eingangsrate an einen Knoten ca. 40 Mbps sein wird (bei der Annahme von 8 Verknüpfungen 3 von maximal 5 Nbps pro Knoten 2), muss dieser 375 Mbit/s Datenverkehr auf dem Fernnetz an mindestens zehn Stellen eingepflegt werden. Dies kann auf zwei Arten ausgeführt werden.
Die erste Alternative besteht darin, die Teilnehmerschnittstelle eines Knotens 2' an jeder der „Eingangs"stellen mit einer geeigneten Schnittstelle an dem Fernnetz 5 zu verbinden (z. B. DS3, STM0, 1), was in 16 gezeigt ist. Die Knoten 2' an den Eingangsstellen können z. B. durch eine Lichtleitfaser 4 mit dem Faserbackbone des Fernnetzes 5 verbunden werden. Diese Eingangsstellen können eher für den Nutzen der Netzentwicklung gewählt werden als Teilnehmerstellen. Dies ist viel einfacher als das Verlegen von Fasern an Basisstationen zellularen Typs, wo die Positionen der Basisstationen durch die Zellularstruktur vorgegeben sind.
Die zweite Alternative besteht darin, einen Satz Knoten 2'' zu konfigurieren, so dass alle Zeitschlitze 23 an einer Verknüpfung verwendet werden. Dies unterstützt mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit exakt der richtigen Bandbreite (40 Mbps) zur Verbindung in einen Knoten 2. Die speziell konfigurierten Knoten 2'' können durch eine geeignete Datenverbindung 6 mit einem normalen Teilnehmerknoten 2 an derselben Stelle verbunden werden. Es sollte beachtet werden, dass diese speziell konfigurierten Knoten 2'' exakt dieselbe Hardware verwenden können wie die normalen Teilnehmerknoten 2. Die speziell konfigurierten Knoten 2'' könnten jeweils eine bewegliche Antenne von großer Reichweite mit hoher Verstärkung verwenden, falls erforderlich. Solche Antennen könnten auf ein Cluster 7 von geeignet konfigurierten Knoten 8 gerichtet werden, die an einem Einzelverbindungsleitungs-Zugangspunkt 9 angeordnet sind, was in 17 gezeigt ist.
Ein Problem bei vielen Funkkommunikationssystemen ist das Multipathing. Dies kann auftreten, wenn ein Empfänger ein Hauptsignal empfängt, das er direkt von einem Sender erhalten hat, jedoch auch Signale von dem Sender empfängt, die z. B. von Gebäuden oder sich bewegenden Fahrzeugen reflektiert wurden. Das reflektierte Signal wird relativ zu dem Hauptsignal verzögert, was ein Aufheben des Hauptsignals zur Folge haben kann, wenn das reflektierte Signal eine ungerade Anzahl von halben Wellenlängen phasenverzögert ist. Bei Übertragungen auf mittlerer Wellenlänge, wo Wellenlängen von mehreren hunderten von Metern verwendet werden, ist der Ausfall kein großes Problem. Der Benutzer kann normalerweise eine Position für den Empfänger finden, wo kein Ausfall aufgrund von Reflektionen von Gebäuden stattfindet, oder, wenn ein Ausfall auftritt, da ein Signal von einem sich bewegenden Fahrzeug reflektiert wird, tritt dieser Ausfall nur kurzzeitig auf und das Fahrzeug bewegt sich weg, wodurch das Problem gelöst wird. Bei höheren Frequenzen jedoch, wenn die Wellenlängen mehrere Millimeter sein können, können Objekte, die sich an einem Empfänger vorbei bewegen, einen häufigen Ausfall des Hauptsignals bewirken, weil diese sich bewegenden Objekte regelmäßig und oft Signale reflektieren, welche zum Hauptsignal um eine ungerade Anzahl von halben Wellenlängen verzögert sind.
Um dieses Multipath-Problem zu lösen, falls es im System 1 der vorliegenden Erfindung auftritt, ist es bevorzugt, dass die Antennen der Sender und Empfänger in jedem Knoten 2 stark gebündelte Richtempfänger sind. Bei einem stark gebündelten Richtsender/empfänger, gibt es tendenziell eine bessere Verstärkung und somit eine bessere Signalstärke als bei isotropen Antennen. Folglich tendiert ein stark gebündelter Richtsender/empfänger natürlich nicht nur dazu, nur das Hauptsignal zu detektieren, das entlang der Sichtlinienverbindung 3 zu dem Knoten 2 gelangt und detektiert keine reflektierten Signale, die sich dem Knoten in einem Winkel zu dem Hauptsignal nähern, ein stark gebündelter Richtsender/empfänger hat außerdem verbesserte Betriebseigenschaften aufgrund der verfügbaren höheren Verstärkung. Zusätzlich zur stark gebündelten Richtgeometrie der Antennen kann zirkulare Polarisation der gesendeten Strahlung verwendet werden, um einen zusätzlichen Schutz gegen Signalverlust aufgrund von Multipath-Effekten bereitzustellen. Beim Reflektieren von einer Oberfläche wird eine Funkwelle in ihrer Phase relativ zu der eintreffenden Welle geändert. Wenn diese eintreffende Welle z. B. rechts zirkular polarisiert ist, dann wird bei der Reflexion diese Polarisierung umgekehrt in eine links zirkulare Polarisation. Auf diese Weise wird unerwünschte reflektierte Strahlung relativ zu direkt übertragener Strahlung abgewiesen, wenn der Empfänger selektiv für rein rechts zirkular polarisierte Funkwellen ist. Ein ähnliches Argument würde zutreffen, wenn links zirkular polarisierte Empfänger und Sender verwendet würden. Somit verwendet das System 1 vorzugsweise Sichtlinien, stark gebündelte, hochverstärkende Hochfrequenzsender/empfänger, die so ausgerüstet sind, das sie zirkular polarisierte Strahlung senden und detektieren.
Es ist klar, dass bei dem System 1 der vorliegenden Erfindung keine Basis-Sendestation erforderlich ist und das System 1 aus einem einzelnen Typ identischer Transceivereinheit an jedem Knoten 2 konstruiert sein kann. Das Netzsystem 1 ist potenziell sehr viel einfacher und billiger im Aufbau, Einsatz und Wartung im Vergleich mit einem Zellularsystem, welches Basisstationen verwendet. Es müssen keine Kabel oder Drähte eingegraben oder aufgehängt werden und keine Mehrzahl von großen Basisstation-Antennenmasten aufgebaut werden, was wiederum hohe Kosten einspart und auch den Einfluss auf die Umwelt durch das System 1 minimiert. Die Kapazität des Systems 1 ist sehr groß, da es viele möglichen Routen zwischen Knoten 2 und dem Rand des Systems 1 gibt. Ein Versagen eines bestimmten Knotens 2 impliziert demgemäß einen Service-Verlust für nur einen Benutzer und andere Benutzer sind normalerweise nicht davon betroffen, da sich alternative Wege zur Übertragung eines Signals finden lassen. Da jeder Knoten 2 mit dem Schalten sowie der Übertragung von Informationsdatenverkehr befasst ist, verhält sich das gesamte System 1 effektiv als verteilter Koppler. Dies bedeutet, dass herkömmliche Zugangskoppler, welche eine bedeutende Kapitalausgabe darstellen, eliminiert werden können.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es einem Betreiber, den Betrieb eines Kommunikationssystems 1 mit sehr hohen Datentransferraten zu einer geringen Anzahl an Benutzern und relativ geringen Kosten zu starten. Z. B. können 128 Knoten in einem System wie oben beschrieben und zu sehr geringen Kosten im Vergleich z. B. mit entsprechenden Kabel und Zellular-Lösungen erstellt werden. Teilnehmer an dem System können entsprechenden Knoten zugeordnet werden. Die restlichen Knoten 2, die keinem Benutzer zugeordnet wurden, können als „strategische" Knoten nur zum Tragen von Informations-Datenverkehr zwischen den Benutzerknoten 2 verwendet werden. Wenn mehr Benutzer in das System einsteigen, können die strategischen Knoten den neuen Benutzern zugeordnet werden. Wenn das ursprünglich implementierte System 1 sich füllt, so dass alle Knoten 2 Benutzern zugeordnet sind, können neue Knoten hinzugefügt werden und das System 1 als Ganzes kann neu konfiguriert werden, um die neuen Knoten in das System einzuführen. Falls erforderlich kann ein ähnlicher Vorgang umgekehrt angewendet werden, um Knoten zu entfernen, die z. B. nicht mehr erforderlich sind oder gewartet werden oder versagt haben.
Die maximale Bandbreite, die einem Knotenbenutzer von der Netzseite (Bdown) zugeführt werden kann und die maximale Bandbreite, die ein Benutzer dem Netz (Bup) zuführen kann, kann unabhängig dynamisch durch den Netzoperator konfiguriert werden, ohne die Kapazität des Knotens für den Durchgangsverkehr zu beeinträchtigen. Ein Service mit niedrigem Tarif könnte z. B. sein Bup << Bdown (ähnlich zu ADSL Service), wohingegen ein Service mit höherem Tarif Bup = Bdown ermöglichen könnte („symmetrischer" Service). Sowohl Bup als auch Bdown müssen natürlich niedriger als die Spitzen-Benutzerdatenrate sein, die von dem Funksystem ermöglicht wird.
Eine Verknüpfung 3 zwischen zwei Knoten 2 kann tatsächlich zwei oder mehr parallele Funkkanäle umfassen, d. h. die Verknüpfung 3 verwendet gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzkanäle, und reduziert somit die Bandbreitebelastung auf einem bestimmten Funkkanal.
Die gesamte Kontrolle der Weiterleitung der Signale zwischen den Knoten kann durch eine zentrale Steuereinheit erfolgen. Die zentrale Steuereinheit kann eine periodische Prüfung (z. B. täglich) an dem System 1 als Ganzes ausführen, um festzustellen, ob irgendwelche Knoten 2 versagt haben. Die zentrale Steuereinheit 1 kann dann feststellen, welcher Route von einem beliebigen Knoten 2 zu einem beliebigen anderen Knoten 2 in dem System 1 eine Nachricht folgend sollte. Entsprechende Instruktionen könnten dann von der zentralen Steuereinheit an jeden Knoten 2 gesendet werden, so dass jeder Knoten 2 eine passende Adresse auf jedes Informationspaket anwendet.
Mit der vorliegenden Erfindung können sehr hohe Datentransferraten erreicht werden. Wie erwähnt, ist z. B. eine Gesamt-Knotendatentransferrate von 40 Mbps vollkommen vorstellbar. Datenübertragungsraten von 5 Mbps mit Burst-Raten von 25 Mbps können problemlos erreicht werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde in besonderem Bezug auf die gezeigten Beispiele beschrieben. Es ist jedoch klar, dass Variationen und Modifikationen an den Beispielen vorgenommen werden können, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden.

Claims

Kommunikationssystem (1), wobei das System (1) aufweist: eine Mehrzahl von Knoten (2), wobei jeder Knoten (2) aufweist: eine Empfangseinrichtung (10, 12, 13) zum Empfang eines von einer drahtlosen Übertragungseinrichtung übertragenen Signals; eine Übertragungseinrichtung (11, 12, 13) zur drahtlosen Übertragung eines Signals; und eine Einrichtung zum Feststellen, ob ein von dem Knoten (2) empfangenes Signal Informationen für einen anderen Knoten (2) beinhaltet und Bewirken, dass ein diese Informationen enthaltendes Signal durch die Übertragungseinrichtung an einen anderen Knoten (2) übertragen wird, wenn das empfangene Signal Informationen für einen anderen Knoten (2) enthält; wobei jeder Knoten (2) eine oder mehr im wesentlichen unidirektionale drahtlose Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindungen) (3) hat, wobei jede der Verbindungen (3) nur zu einem anderen Knoten (2) besteht, wobei zumindest einige der Knoten (2) der Anfangs- und Endpunkt des Benutzer-Datenverkehrs sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Knoten (2) so verbunden sind, dass sie Übertragungswegschleifen bilden, um dadurch mehrere Möglichkeiten eines Übertragungswegs für ein Signal zwischen mindestens einigen der Knoten (2) bereitzustellen.
System nach Anspruch 2, wobei jede Schleife aus einer geraden Anzahl an Verbindungen (3) besteht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens einige der Knoten (2) mehrere Verbindungen (3) mit anderen Knoten (2) haben, wobei jede der mehreren Verbindungen (3) zwischen entsprechenden Paaren von Knoten (2) einem Zeitschlitz (23) zugeordnet ist.
System nach Anspruch 4, wobei jede Verbindung (3) für jeden Knoten (2) einem unterschiedlichen Zeitschlitz (23) zugeordnet ist.
System nach Anspruch 4 oder 5, das weiterhin eine Einrichtung zum Variieren der Zuordnung der Zeitschlitze zu den Verbindungen (3) und zum selektiven Zuordnen einer Verbindung (3) zu mehr als einem Zeitschlitz (23) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jeder Knoten (2) eine direkte Sichtlinienverbindung (3) mit mindestens einem anderen Knoten hat zum Übertragen eines Signals an den mindestens einen anderen Knoten (2) in Sichtlinie mit dem genannten Knoten (2).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeder Knoten (2) eine Einrichtung aufweist zum Übertragen eines Signals mit Informationen an einen anderen Knoten (2), dann, und nur dann, wenn ein an dem genannten Knoten (2) empfangenes Signal Informationen für einen anderen Knoten (2) beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder Knoten (2) stationär ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Anzahl an Knoten (2) kleiner ist als die Anzahl an Verbindungen (3).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei jeder Knoten (2) so ausgebildet ist, dass er für eine Zeitperiode (21) in einem Übertragungsmodus ist, die mit einer Zeitperiode (22) für einen Empfangsmodus wechselt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens ein Knoten (2) so ausgebildet ist, dass er an keinen anderen Knoten (2) Informationen in einem Signal überträgt, das von dem mindestens einen Knoten (2) empfangen wurde, wenn diese Informationen an den genannten mindestens einen Knoten (2) gerichtet sind.
System nach Anspruch 12, wobei jeder Knoten (2) so ausgebildet ist, dass er an keinen anderen Knoten (2) Informationen in einem Signal überträgt, das von dem genannten mindestens einen Knoten (2) empfangen wurde, wenn diese Informationen an den genannten mindestens einen Knoten (2) gerichtet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei jeder Knoten (2) eine Adressiereinrichtung hat, um den in einem empfangenen Signal enthaltenen Informationen die Adresse eines Knotens (2) hinzuzufügen, an welche ein Signal mit den genannten Informationen weitergegeben werden soll, wenn die Informationen für einen anderen Knoten (2) bestimmt sind.
System nach Anspruch 14, wobei die Adressiereinrichtung eine Einrichtung beinhaltet zum Bestimmen der Route der Informationen durch das System und dementsprechendes Hinzufügen einer geeigneten Adresse zu den Informationen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das weiterhin eine zentrale Systemsteuerungseinheit aufweist zum Bestimmen der Route der Informationen durch das System.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei mindestens ein Knoten (2) eine Einrichtung aufweist zum Feststellen, ob ein empfangenes Signal Informationen für den mindestens einen Knoten (2) beinhaltet sowie eine Verarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten von Informationen in einem Signal, das an den mindestens einen Knoten (2) gerichtet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Übertragungseinrichtungen (11, 12, 13) der Knoten (2) so ausgebildet sind, dass sie Signale bei Frequenzen von mehr als ca. 1 GHz übertragen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Verbindung (3) zwischen zwei Knoten (2) so ausgebildet ist, dass gleichzeitig zwei oder mehr Frequenzkanäle verwendet werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Empfangs- und Übertragungseinrichtungen (10, 11, 12, 13) so ausgebildet sind, dass sie zirkular polarisierte Strahlung übertragen und detektieren.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Übertragungseinrichtung (11, 12, 13) einen stark gebündelten Richtsender beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Empfangseinrichtung (10, 12, 13) einen stark gebündelten Richtempfänger beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei alle Knoten (2) identisch sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das System (1) mit einem herkömmlichen Fernleitungsnetz (5) verbunden ist, um Zugriff auf andere Netze bereitzustellen.
System nach Anspruch 24, das einen weiteren Knoten (2'') aufweist, der über eine Datenverbindung (6) mit einem der Knoten (2) des Systems (1) verbunden ist und ausgebildet ist zum Übertragen eines Signals an und/oder Empfangen eines Signals von dem Fernleitungsnetz (5).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei ein Datenspeicher-Server mit einem Knoten (2) verbunden ist oder an diesem vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei mindestens eine Verbindung (3) eines Knotens (2) so ausgebildet ist, dass eine erste Übertragungsfrequenz verwendet wird und mindestens eine andere Verbindung (3) des Knotens (2) so ausgebildet ist, dass eine zweite Übertragungsfrequenz verwendet wird.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei einige der Knoten (2) Teilnehmern zugeordnet sind und einige der Knoten (2) keinen Teilnehmern zugeordnet sind, wobei zumindest einige der nicht zugeordneten Knoten (2) nur zum Übertragen eines Informationsdatenverkehrs zwischen Teilnehmerknoten (2) vorgesehen sind.
Kommunikationsverfahren über ein Netz von Knoten (2), wobei jeder Knoten (2) eine oder mehrere im wesentlichen unidirektionale drahtlose Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung(en) (3) hat, wobei jede der Verbindungen (3) nur zu einem anderen Knoten (2) besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (A) Erzeugen von Benutzerdaten an einem Knoten (2); (B) Übertragen eines Signals einschließlich der genannten Benutzerdaten von dem Knoten (2) zu einem anderen Knoten (2) entlang einer im wesentlichen unidirektionalen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung (3) zwischen den Knoten (2); (C) Empfangen des Signals an dem anderen Knoten (2); (D) Feststellen in dem anderen Knoten (2), ob das Signal, das von dem anderen Knoten (2) empfangen wurde, Benutzerdaten für einen weiteren Knoten (2) beinhaltet und Übertragen eines Signals einschließlich dieser Benutzerdaten von dem anderen Knoten (2) zu einem weiteren Knoten (2) entlang einer im wesentlichen unidirektionalen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverbindung (3) zwischen den Knoten (2), wenn das empfangene Signal Benutzerdaten für einen weiteren Knoten (2) beinhaltet; und (E) Wiederholen der Schritte (B) bis (D) bis die Benutzerdaten ihren Zielknoten (2) erreicht haben.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei mindestens einige der Knoten (2) mehrere Verbindungen (3) zu anderen Knoten (2) haben, wobei jeder der mehreren Verbindungen (3) zwischen entsprechenden Paaren von Knoten (2) ein Zeitschlitz (23) zugeordnet ist und jeder Übertragungsschritt an einer Verbindung (3) des einen Knotens (2) während einem unterschiedlichen Zeitschlitz (23) stattfindet und jeder Empfangsschritt an einer Verbindung (3) des anderen Knotens (2) während eines unterschiedlichen Zeitschlitzes (23) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 30, das den Schritt des Variierens der Zuordnung der Zeitschlitze (23) zu den Verbindungen (3) aufweist, so dass eine Verbindung (3) selektiv mehr als einem Zeitschlitz (23) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei jeder Knoten (2) den Benutzerdaten in einem empfangenen Signal die Adresse eines Knotens (2) hinzufügt, an welche ein Signal einschließlich dieser Benutzerdaten weitergeleitet werden soll, wenn die Benutzerdaten für einen anderen Knoten (2) bestimmt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei jeder Knoten (2) eine Adressiereinrichtung hat, wobei die Adressiereinrichtung die Route der Benutzerdaten durch das System bestimmt und dementsprechend den Benutzerdaten eine geeignete Adresse hinzufügt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei eine zentrale Systemsteuerungseinheit die Route der Benutzerdaten durch das System bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, welches den Schritt aufweist, dass jeder Knoten (2) ein Signal einschließlich der Benutzerdaten an einen anderen Knoten (2) überträgt, dann, und nur dann, wenn ein Signal, das an dem Knoten (2) erhalten wurde, Benutzerdaten für einen anderen Knoten (2) beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, einschließend die Schritte des Bestimmens in mindestens einem Knoten (2), ob ein empfangenes Signal Benutzerdaten für den genannten mindestens einen Knoten (2) beinhaltet und des Verarbeitens der Benutzerdaten in einem Signal, das an den mindestens einen Knoten (2) adressiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 36, wobei die Signale bei Frequenzen übertragen werden, die über ca. 1 GHz liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 37, wobei es mindestens zwei mögliche Datenübertragungswege zwischen einem Ursprungsknoten (2) und einem Zielknoten (2) gibt, und welches den Schritt des Übertragens einer Kopie der genannten Daten auf jedem der mindestens zwei Wege aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 37, wobei es mindestens zwei mögliche Datenübertragungswege zwischen einem Ursprungsknoten (2) und einem Zielknoten (2) gibt, und welches die folgenden Schritte aufweist: Übertragen nur eines Teils der Daten auf jedem der mindestens zwei Wege von dem Ursprungsknoten (2) und Rekonstruieren der Daten von den übertragenen Teilen der Daten in dem Zielknoten (2).
Telekommunikations-Schaltvorrichtung, die ein Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28 aufweist.