DE69938350T2

DE69938350T2 - Verteilter verbindungsmechanismus für ein vhf-netzwerk

Info

Publication number: DE69938350T2
Application number: DE69938350T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Parsippany KROON; Stanley Parsippany Vitebsky
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-09-18
Also published as: WO2000018041A3; DE69938350D1; US7933286B2; IL142400A0; IL142400A; EP1114542A2; US20050238040A1; EP1114542B1; WO2000018041A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft drahtlose Datenkommunikationsnetze und betrifft insbesondere das Steuern des Zugriffs auf Netzressourcen.
Herkömmliche drahtlose Netze nutzen verschiedene Netzzugriffsprotokolle, um es kommunizierenden Knoten (also Funksystemen) zu erlauben, Netzressourcen gemeinsam zu nutzen. Drahtlose VHF-Kommunikationsnetze umfassen typischerweise mehrere Knoten, die über einen einzelnen Funkkanal kommunizieren.
Im Allgemeinen erlauben es herkömmliche Protokolle jedem Knoten, ohne Einschränkung über den Funkkanal zu senden. In einem derartigen Protokoll sendet der Zielknoten nach erfolgreichem Empfangen der gesendeten Mitteilung eine Bestätigungsmitteilung. Der Quellknoten wartet auf die Bestätigungsmitteilung, und wenn die Bestätigungsmitteilung nach einer vorbestimmten Zeitdauer nicht empfangen worden ist, nimmt der Quellknoten an, dass die gesendete Mitteilung nicht empfangen wurde, und sendet die Mitteilung erneut. Weil Knoten ohne Einschränkung auf demselben Kanal senden können, können Konflikte oder Kollisionen auftreten, die verhindern, dass die gesendete Mitteilung empfangen wird. Eine Kollision tritt auf, wann immer zwei oder mehr Knoten versuchen, gleichzeitig zu senden.
Ein typisches Kommunikationssystem mit fünf Knoten, die über einen einzelnen Kanal gemäß diesem Protokoll kommunizieren, ist in 1 beschrieben. Die Zeitachse (t) der Kanalübertragungen zeigt, dass während der Zeitdauer 10 eine Mitteilung von Knoten 1 an Knoten 2 gesendet wird. Während der Zeitdauer 20 wird eine Mitteilung von Knoten 3 an Knoten 5 gesendet. Während der Zeitdauer 30 wird eine Mitteilung von Knoten 4 an Knoten 5 gesendet. Ein Protokoll, um Kollisionen zu verhindern, ist nicht vorhanden. Die Knoten senden, wann immer es eine Mitteilung zu senden gibt. Als Folge davon werden Kollisionen zwischen Übertragungen auftreten. Beispielsweise ist Knoten 4 gezeigt, wie er versucht, eine Mitteilung an Knoten 1 während der Zeitdauer 15 zu senden, was mit der Übertragung von Knoten 1 an Knoten 2 während der Zeitdauer 10 kollidieren wird. In ähnlicher Weise wird die Übertragung von Knoten 4 an Knoten 2 während der Zeitdauer 25 mit der Übertragung von Knoten 1 an Knoten 2 während der Zeitdauer 10 kollidieren. Diese Kollisionen können verhin dern, dass eine oder beide Mitteilungen empfangen werden, was die ineffiziente Anforderung von Neuübertragungen zur Folge hat.
Ein vorhandenes Netzzugriffsprotokoll versucht, Kollision zu vermeiden. Das CSMA-Protokoll (Carrier Sense Multiple Access, Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung) verlangt, dass ein Quellknoten, der eine Mitteilung über den gemeinsamen Kanal rundzusenden hat, zuerst nach Aktivität auf dem Kanal „lauscht". Wird Aktivität detektiert (d. h., dass ein anderer Knoten sendet), dann wartet der Quellknoten eine Zeitdauer lang, bevor er die Übertragung neu versucht. Das CSMA-Protokoll verringert die Notwendigkeit von Neuübertragungen, da Kollisionen selten sind. Jedoch können Neuübertragungen dennoch erforderlich sein, wenn der Empfangsknoten nicht verfügbar ist, weil er beispielsweise außer Reichweite oder ausgeschaltet ist.
US 5,329,531 beschreibt ein CSMA-System, wie es auf ein Wireless-LAN angewandt wird, zur Handhabung sowohl asynchronen als auch isochronen Verkehrs. Es werden gleichförmige Zeitdauern generiert, auf das Medium wird in jeder Periode mit mindestens einem isochronen Paket zugegriffen, jedwedes asynchrone Paket wird verzögert, bis mindestens ein asynchrones Paket und jedweder isochrone Verkehr, der in Reaktion darauf übertragen wird, versucht haben, auf das Medium zuzugreifen. Den Rest jeder Zeitdauer lang werden asynchrone Pakete übertragen. Wenn eine Station ein Paket zu senden wünscht, prüft sie zuerst das Systemmedium auf Aktivität.
Ein anderes Netzzugriffsprotokoll ist TDMA (Time Division Multiple Access, Zeitmultiplex). Das TDMA-Protokoll beseitigt Kollisionen durch Teilen des gemeinsamen Kanals in Zeitrahmen und Fenster. Jedem Knoten wird ein bestimmtes Zeitfenster zugewiesen, in dem alle seine Mitteilungen zu senden sind. Kollisionen werden beseitigt, weil Knoten nur während ihrer zugewiesenen Fenster senden. Jedoch kann das TDMA-Protokoll übermäßige Verzögerungen und Unterauslastung des gemeinsamen Kanals zu Folge haben, da jeder Knoten zum Senden auf seinen dafür vorgesehenen Zeitrahmen und sein Zeitfenster warten muss.
Andere drahtlose Kommunikationssysteme verwenden mehrere Kanäle. Beispielsweise sind in einem zellulären digitalen Paketdatensystem mehrere Kanäle bereitgestellt, die es mehr als einem Knotenpaar gestatten, gleichzeitig Daten auszutauschen. Zusätzlich zu den kommunizierenden Knoten umfasst das System auch Basisstationen, welche die Kommunika tion zwischen den Knoten steuern. Jede Basisstation deckt einen bestimmten geografischen Dienstbereich ab und steuert die Kommunikation zu und von Knoten, die sich in jenem Bereich befinden. Um eine Mitteilung zu transportieren, muss das Kommunikationssystem zuerst den Zielknoten lokalisieren. Um einen Zielknoten zu lokalisieren, sendet das Netz von jeder der Basisstationen im Dienstbereich eine Lokalisierungsmitteilung, bis der Zielknoten antwortet. Diese Vorgehensweise widmet dem Lokalisieren von Knoten eine große Menge an Netzressourcen. Darüber hinaus verursacht Ausfall oder Beseitigung der Basisstation im Allgemeinen den Verlust sämtlicher Kommunikation.
Herkömmliche drahtlose Mehrkanal-Kommunikationssysteme umfassen typischerweise einen Steuerkanal und mindestens einen Datenkanal. Der Datenkanal wird für Sprach- und Datenübertragungen zwischen Knotenpaaren verwendet. Der Steuerkanal wird für die Übertragung von Steuerdaten zwischen einer Basisstation und einem Knoten verwendet. Derartige Steuerdaten können beispielsweise Anweisungen für den Knoten beinhalten, auf einen bestimmten Datenkanal zu wechseln, um eine ankommende Übertragung von einem anderen Knoten zu empfangen. In herkömmlichen Systemen kommunizieren Knoten nicht über den Steuerkanal miteinander.
Wie oben diskutiert, weisen die aktuellen Verfahren des Bereitstellens von Kanalzugriff in drahtlosen Netzen viele Unzulänglichkeiten auf. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, viele dieser Unzulänglichkeiten zu vermeiden und ein neuartiges System und Verfahren zur drahtlosen Kommunikation zum Bereitstellen effizienten Kanalzugriffs bereitzustellen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Einkanalnetzes unter Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen, das die Notwendigkeit einer großen Zahl von Neuübertragungen von Mitteilungen vermeidet.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Mehrkanalnetzes unter Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen, das die Notwendigkeit einer großen Zahl von Neuübertragungen von Mitteilungen vermeidet.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Einkanalnetzes unter Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen, das Kollisionen zwischen Mitteilungen verringert.
Und noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Mehrkanalnetzes unter Verwendung eines Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen, das Kollisionen zwischen Mitteilungen verringert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Einkanalnetzes unter Verwendung eines CSMA-TDMA-Hybrid-Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zum Kommunizieren zwischen Knoten eines drahtlosen Mehrkanalnetzes unter Verwendung eines CSMA-TDMA-Hybrid-Kanalzugriffsprotokolls bereitzustellen.
Und noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges System und Verfahren zur VHF-Kommunikation bereitzustellen, das Kommunikation zwischen mehreren Knoten ohne die Verwendung einer Basisstation bereitstellt
Diese und viele andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann auf dem Gebiet, das die Erfindung betrifft, bei Durchsicht der Ansprüche, der angehängten Zeichnungen und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen leicht offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine grafische Darstellung des Austauschs von Daten über einen einzelnen Kanal in einem herkömmlichen Kommunikationsnetz.
2 ist eine grafische Darstellung des Austauschs von Daten in einem Kommunikationsnetz, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.
3 ist eine grafische Darstellung des Austauschs von Daten in einem Kommunikationsnetz gemäß der vorliegenden Erfindung, den verteilten Bündelungsmechanismus und ein CSMA-Steuerkanal-Zugriffsprotokoll umfassend.
4 ist eine grafische Darstellung des Datenaustauschs über einen einzelnen Kanal gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine grafische Darstellung des Datenaustauschs über ein Kommunikationsnetz gemäß der vorliegenden Erfindung, ein CSMA-Kanalzugriffsprotokoll umfassend.
6 ist eine grafische Darstellung des Datenaustauschs über ein Kommunikationsnetz gemäß der vorliegenden Erfindung, ein TDMA-Kanalzugriffsprotokoll umfassend.
7 ist eine grafische Darstellung des Datenaustauschs über ein Kommunikationsnetz gemäß der vorliegenden Erfindung, ein TDMA-CSMA-Hybrid-Kanalzugriffsprotokoll umfassend.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist auf ein drahtloses Kommunikationsnetz mit einer festen Anzahl von Funkkanälen (also 1, 2, 3, 4, ...) gerichtet. Einer der Kanäle wird als ein Steuerkanal bestimmt, auf den alle Netzwerkknoten zugreifen können. Die übrigen Kanäle werden als Datenkanäle bestimmt und werden für Sprach- und Datentransaktionen zwischen Knotenpaaren verwendet. Im Falle eines Kommunikationssystems mit einem einzelnen Kanal kann der Kanal sowohl als Steuer- als auch als Datenkanal dienen.
Das Kommunikationsnetz kann eine beliebige Anzahl mobiler und fester Knoten umfassen, die in zufälliger Weise über die geografische Region von Interesse verstreut sind. Das Maß an Verbindungsfähigkeit zwischen Knoten ist möglicherweise nicht jederzeit bekannt und ist durch das Antennen-Abdeckungsgebiet jedes Knotens bestimmt. Der Verbindungsfähigkeits-Status kann sich im Verlauf der Netzaktivität auf Grund von atmosphärischen Änderungen, Bewegung des Knotens, Ausfall/Wiederherstellung oder anderen dynamischen Faktoren ändern. Darüber hinaus können Behinderung durch die Erde, Kanalübereinstimmung zwischen dem Sender und dem Empfänger, Ausbreitungsverzögerung, Empfangssignalsstärke, Signal-Rausch-Verhältnis, Bitfehlerrate bei gegebenem Modulationstyp, Fehlerkorrektur und Mitteilungskollisionen wichtige Faktoren sein, die über Erfolg oder Fehlschlagen einer gegebenen Übertragung entscheiden.
Jeder Knoten umfasst einen Sender und einen Empfänger oder einen Sendeempfänger. Ein Sendeempfänger an einem bestimmten Knoten kann entweder auf den Steuerkanal, der durch alle Knoten gemeinsam genutzt wird, oder auf einen Datenkanal abgestimmt sein, der zum Datenaustausch zwischen Knotenpaaren dynamisch zugeteilt wird. Während des Überwachens der Kanäle kann sich der Knoten in einem der folgenden drei Zustände befinden: Empfangen, Senden oder Warten. Die Kanäle sind vorzugsweise Halbduplex-Kanäle, sodass keiner der Knoten gleichzeitig empfangen und senden kann.
Wartende Knoten, welche den Steuerkanal überwachen, empfangen ungeachtet dessen, ob der wartende Knoten der Zielknoten für die übertragene Mitteilung ist, alle detektierten Übertragungen auf dem Kanal. Ein Knoten löst seine eigene Übertragung auf dem Steuerkanal aus, wenn er in seinem internen Mitteilungswartefeld eine Mitteilung hat, die für einen anderen Knoten bestimmt ist, und fordert einen Datenkanal an, um die Mitteilung zu liefern.
Ein Beispiel der Datenaustausch-Prozedur, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, ist in 2 gezeigt. Das beschriebene System umfasst drei Datenkanäle 200, 300, 400 und einen Steuerkanal 100. Die Übertragungen in jedem Kanal über der Zeit (t) sind grafisch in 2 gezeigt. Ein Quellknoten sendet seine Kanalanfrage über den Steuerkanal 100 an das Netz. Ein Zielknoten antwortet entweder durch Zustimmung oder Ablehnung, auf dem angefragten Kanal zu kommunizieren. Die Annahme des Kanals hängt von Informationen ab, die der Knoten gegenwärtig über den Status des angefragten Kanals hat. Wenn der angefragte Datenkanal für den Zielknoten nicht akzeptabel ist, dann schlägt er einen abweichenden Kanal vor und bittet den Quellknoten, diesem zuzustimmen. Der Prozess wiederholt sich, bis sich die Knoten auf den Kanal einigen. Auf den Datenkanal wird sich geeinigt, wenn sowohl der Quell- als auch der Zielknoten ihn für verfügbar erachten und nachdem sie einander und den Rest der Knoten, auf die sie Zugriff haben, über ihre Absicht informiert haben, den Kanal zu belegen. Wenn die Kommunikation auf dem Datenkanal abgeschlossen ist, schalten die Knoten zum Steuerkanal 100 zurück, um den Rest des Netzes darüber zu informieren, dass der Kanal freigegeben ist.
In Form eines Beispiels ist die Kommunikation unter sechs Knoten in 2 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, verhandeln Knoten 1 und 2 auf dem Steuerkanal 100 während der Zeitdauer 110 und einigen sich, auf Datenkanal 300 zu kommunizieren, über den die Kommunikation während der Zeitdauer 312 stattfindet. Sobald ihre Kommunikation abgeschlossen ist, kehren die Knoten 1 und 2 zum Steuerkanal 100 zurück und tauschen während der Zeitdauer 114 Mitteilungen aus, wodurch sie das Netz darüber informieren, dass der Datenkanal 300 verfügbar ist.
In ähnlicher Weise verhandeln Knoten 3 und 5 auf dem Steuerkanal 100 während der Zeitdauer 120 und einigen sich, auf Datenkanal 400 zu kommunizieren, über den die Kommunikation während der Zeitdauer 422 stattfindet. Sobald der Austausch von Daten abgeschlossen ist, kehren die Knoten zum Steuerkanal 100 zurück und tauschen während der Zeitdauer 124 Mitteilungen aus, die den Rest des Netzes darüber informieren, dass der Datenkanal 400 verfügbar ist.
Darüber hinaus verhandeln Knoten 4 und 6 auf dem Steuerkanal 100 während der Zeitdauer 130 und einigen sich, auf Datenkanal 200 zu kommunizieren, über den die Kommunikation während der Zeitdauer 232 stattfindet. Sobald die Kommunikation abgeschlossen ist, kehren die Knoten zum Steuerkanal 100 zurück und tauschen während der Zeitdauer 134 Mitteilungen aus, wodurch sie den Rest des Netzes darüber informieren, dass der Datenkanal 200 verfügbar ist.
In noch einem anderen Beispiel handeln, sobald ihre erste Kommunikation abgeschlossen ist, die Knoten 3 und 4 auf dem Steuerkanal 100 während der Zeitdauer 150 aus, auf Datenkanal 400 zu kommunizieren, und tun dies während der Zeitdauer 452. In ähnlicher Weise handeln die Knoten 1 und 6 auf dem Steuerkanal 100 während der Zeitdauer 160 aus, auf Datenkanal 200 zu kommunizieren, über den die Knoten Kommunikationsbeiträge während der Zeitdauer 262 austauschen.
Die Kommunikation zwischen den Knoten kann entweder Sprach- oder Datenkommunikation beinhalten. Vorzugsweise wird Kommunikation mit Hilfe digitaler Datenpakete vorgenommen. Pakete können entweder Sprache oder Daten enthalten. Wenn sie über den Steuerkanal übertragen werden, werden Pakete als Steuerdatenpakete bezeichnet. Wegen des Vorhanden seins mehrerer Datenkanäle können gewisse Datenkanäle zur Verwendung nur als Sprach- oder Datenkanäle vorgesehen sein, um die Kommunikation zu beschleunigen. Wie aus 2 zu ersehen ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung gleichzeitigen Sprach- und Datenaustausch (während der Zeitdauern A und B) und verbesserte Effizienz. Vorzugsweise können sowohl die Datenkanal-Verhandlungen als auch die Datenkanalfreigabe-Kommunikation über den Steuerkanal durch gegenseitiges Austauschen von Datenpaketen eines speziellen Formats bewerkstelligt werden, sodass alle Knoten in den Quell- und den Ziel-Abdeckungsgebieten zweckentsprechende Benachrichtigung erhalten.
Ein Kanalzugriffsprotokoll kann eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass alle Knoten für Datenkanal-Verhandlungen fairen Zugriff auf den Steuerkanal haben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird CSMA als Steuerkanal-Zugriffsprotokoll verwendet. Das Protokoll stellt sicher, dass die Knoten nicht beginnen, ein Paket über den Steuerkanal zu übertragen, bis sie ermitteln, dass der Steuerkanal nicht belegt ist. Wenn zwei Knoten ein Anfrage-, Antwort- oder Kanalfreigabe-Benachrichtigungspaket nahezu gleichzeitig über den Steuerkanal zu senden wünschen und sie nicht genug Zeit haben, die Absichten des jeweils anderen in Erfahrung zu bringen, kann eine Kollision auftreten. Um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu minimieren, beinhaltet das CSMA-Protokoll zwei Techniken.
Die erste im CSMA-Protokoll enthaltene Technik ist auf Kollisionsvermeidung gerichtet und nutzt die Tatsache aus, dass gewisse Netzübertragungen vorhergesagt werden können. Beispielsweise folgt auf ein Kanalanfragepaket vom Quellknoten im Allgemeinen ein Antwortpaket vom Zielknoten. In ähnlicher Weise folgt auf ein Kanalfreigabe-Anfragepaket durch den Quellknoten im Allgemeinen ein Kanalfreigabe-Antwortpaket, das durch den Zielknoten gesendet wird. Daher verlangt das Protokoll, dass, wenn ein Knoten, der darauf wartet, zu senden, ein Datenpaket empfängt, das eine Antwort anfordert, und das Datenpaket nicht an den Knoten adressiert ist, der wartende Knoten keine Übertragung beginnen darf, bis der eigentliche Zielknoten Zeit zu antworten gehabt hat. Das Protokoll verhindert unerwünschte Kollisionen und erteilt Datenkanal-Verhandlungen Priorität, die bereits begonnen haben.
Die zweite Technik, die im CSMA-Protokoll enthalten ist, verwendet Hauptzeitfenster, um Anfangszeiten von Datenpaketübertragungen von unterschiedlichen Knoten näherungsweise zu synchronisieren. Jedes Hauptzeitfenster umfasst eine Anzahl Minifenster, die sich am Anfang des Hauptfensters befinden, wobei die Anzahl der Minifenster gleich der Anzahl der Knoten im Netz ist. Die Dauer eines Hauptzeitfensters ist gleich der Paketübertragungszeit plus der Dauer der Minifenster. Vorzugsweise sind alle Pakete, die im Steuerkanal übertragen werden, von gleicher Dauer. Die Dauer eines einzelnen Minifensters ist gleich der maximalen Ausbreitungsverzögerung für eine gegebene Netztopologie (wie z. B. das Abdeckungsgebiet des Netzes). Ein gegebener Knoten, der darauf wartet, zu senden, beginnt sein Hauptfenster, wenn es keinerlei Übertragung stören wird, wie durch den oben beschriebenen Kollisionsvermeidungs-Mechanismus ermittelt. Die Mehrheit der Knoten wird ihr Hauptfenster nahezu gleichzeitig beginnen, und der Beginn der eigentlichen Übertragung ist zeitlich so geplant, dass er mit dem Anfang eines frei gewählten Minifensters innerhalb des Hauptfensters zusammenfällt. Infolgedessen werden nur die Pakete, deren Übertragung am ersten gewählten Minifenster anfängt, die Kollision erfahren. Der Rest der wettstreitenden Knoten wird seine Übertragung auf Grund der Trägerprüffähigkeit und sachgerecht gewählten Minifensterdauer nicht beginnen. Da es stets wünschenswert ist, Verhandlungen zu favorisieren, die bereits laufen, ist das erste Minifenster jedes Hauptfensters Antwortpaketen gewidmet.
Um sicherzustellen, dass Mitteilungen nach Priorität übertragen werden, können die Minifenster Knoten basierend auf der Priorität der zu übertragenden Pakete zugewiesen werden. Wie unten ausführlicher diskutiert, kann die Mitteilungspriorität basierend auf der Dringlichkeit, dem Alter und der relativen Wichtigkeit der Mitteilungen bestimmt werden.
Um die Netzeffizienz zu verbessern, beinhaltet das Netz eine bestimmte Zeitüberschreitungsdauer. Wenn ein Quellknoten, der auf eine Antwort von einem Zielknoten wartet, diese nicht vor der Zeitüberschreitung empfängt, sendet er seine Anfrage neu und wartet auf die Antwort, bis die zweite Zeitüberschreitung abläuft. Im letzteren Fall wird der Zielknoten als belegt oder vorübergehend außer Reichweite angesehen, und der Quellknoten versucht, entweder eine andere Verbindung aufzubauen, oder er wartet, bis er von diesem Ziel etwas hört. Wenn statt der Antwort vom Zielknoten ein Anfragepaket (von einem anderen Knoten) empfangen wird und diese Anfrage eine höhere oder gleiche Priorität aufweist, nimmt der Quellknoten an, dass seine Anfrage verloren gegangen ist, und bedient die empfangene Anfrage durch Senden eines Antwortpaketes und Verschieben seines Versuches, eine neue Verbindung aufzubauen. Wenn die empfangene Anfrage eine niedrigere Priorität aufweist, aktualisiert der Quellknoten seine Informationen und ignoriert die Anfrage. Das Warten kann auch abgebrochen werden, wann immer irgendwelche Informationen empfangen werden, die auf einen Nichtempfang des Anfragepaketes durch den Zielknoten hinweisen könnten. Ein Beispiel derartiger Informatio nen ist das Vorhandensein irgendeines Antwortpaketes (außer der Antwort vom Zielknoten an den Quellknoten), das entweder vom Zielknoten ausgeht oder für diesen bestimmt ist, oder eines Anfragepaketes auf dem Steuerkanal, das durch den Zielknoten generiert wurde.
Bezug nehmend auf 3 wird nun das CSMA-Steuerkanal-Zugriffsprotokoll in Betrieb beschrieben. Der Steuerkanal 100 ist in Hauptzeitfenster 115, 125 aufgeteilt. Jedes Zeitfenster umfasst Minifenster 127. Der Datenaustausch fängt damit an, dass Knoten 1 ein Steueranfragepaket 111 an Knoten 2 sendet, das anfragt, den Datenkanal 200 für die Übertragung von Daten zu verwenden. Knoten 2 sendet ein Steuerantwortpaket 113, das zustimmend antwortet. Das Antwortpaket 113 wird am Anfang des ersten Minifensters innerhalb des Hauptfensters 125 übertragen, das auf das Steueranfragepaket 111 folgt. Nach dem Gewähren von Schaltzeit 117 sendet Knoten 1 über den Datenkanal 200 ein Datenanfragepaket 211. Dem Datenanfragepaket 211 folgen Datenrahmen 212. Die Datenübertragung ist abgeschlossen, wenn Knoten 1 über den Datenkanal 200 ein Datenfreigabe-Anfragepaket 213 sendet, das verlangt, dass Knoten 2 auf den Steuerkanal 100 schaltet. Als Nächstes sendet Knoten 1 nach einer Verzögerung, die es Knoten 2 erlaubt, auf den Steuerkanal 100 zu schalten, ein Steuerfreigabe-Anfragepaket 121 an Knoten 2. Knoten 2 antwortet mit einem Steuerfreigabe-Antwortpaket 123, das im ersten Minifenster des folgenden Hauptfensters übertragen wird. Der Rest der Knoten verschiebt seine Übertragung um die Dauer eines Hauptfensters, um es Knoten 2 zu ermöglichen, seine Übertragung abzuschließen. Der nächste Kanalzugriff fängt damit an, dass Knoten 3 ein Steueranfragepaket 143 an Knoten 4 sendet. Wie oben diskutiert, stellt das Protokoll einen Zeitüberschreitungswert sowohl auf den Steuer- 133 als auch den Datenkanälen 233 bereit.
5 beschreibt ein Beispiel des CSMA-Steuerkanal-Zugriffsprotokolls der vorliegenden Erfindung während des Gebrauchs in einem Netz mit drei Knoten. Das Protokoll kann in entweder einem Ein- oder einem Mehrkanalsystem implementiert sein. In einem Einkanalsystem erfolgt der Sprach- und Datenaustausch über den Steuerkanal. Die Knoten 1 und 3 tauschen Steuerpakete 131, 135 aus, die als Benachrichtigung über die Steuerkanal-Verfügbarkeit statt als Verhandlung zur Verwendung eines bestimmten Datenkanals fungieren. Sobald sich die Knoten darauf einigen, Daten auszutauschen, werden dann Datenpakete 235 über den Steuerkanal oder einen separaten Datenkanal ausgetauscht, wie in 4 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung umfasst die Verwendung von TDMA (Time Division Multiple Access, Zeitmultiplex) als Alternative zu CSMA als Steuerkanal-Zugriffsprotokoll. Wie in 6 gezeigt, kann der Steuerkanal in eine zeitliche Folge von Rahmen aufgeteilt sein, die Epochen 170 genannt werden. Jede Epoche ist wiederum in Zeitfenster (171, 172 und 173) mit einer Dauer unterteilt, die zweimal größer als nötig ist, um ein Steuerpaket zu übertragen. Die Zeitfenster sind umlaufend nummeriert, und es ist nur einem Knoten erlaubt, im ersten Abschnitt des Zeitfensters zu senden, das diesem zugewiesen ist. Die Dauer einer Epoche ist durch die Größe des Netzes oder Subnetzes (also die Anzahl der Knoten) bestimmt. Der zweite Abschnitt jedes Zeitfensters in der Epoche 170 ist der Übertragung von Antwortpaketen gewidmet, die unmittelbar nach dem Empfang der Anfrage gesendet werden.
Wenn der Datenkanal (oder im Falle eines Einkanalsystems der Steuerkanal) freigegeben wird, wird eine Verzögerung eingeführt. Die Verzögerung tritt auf, weil der Abschluss des Datenaustauschs in keinem Bezug zur Epochenstruktur des Steuerkanals steht und zwei Knoten, die den Datenkanal freigeben, gezwungen sind, auf ihr nächstes Zeitfenster zu warten, um die Kanalfreigabe-Benachrichtigungen zu senden.
6 veranschaulicht das TDMA-Steuerkanal-Zugriffsprotokoll. Wie oben beschrieben, ist der Steuerkanal 100 in Epochen 170 und Zeitfenster 171, 172 und 173 aufgeteilt. Der Datenaustausch fängt damit an, dass Knoten 1 ein Steueranfragepaket 131 an Knoten 3 sendet. Knoten 3 sendet ein Steuerantwortpaket 133, das zustimmend antwortet. Das Antwortpaket wird am Anfang der zweiten Hälfte des Zeitfensters 171 übertragen, das Knoten 1 zugewiesen ist. Nach dem Gewähren von Schaltzeit tauschen die Knoten 1 und 3 Daten 235 über den Datenkanal (oder den Steuerkanal) aus, wie in 4 gezeigt. Als Nächstes sendet Knoten 1 nach einer Verzögerungs-Zeitdauer 175, um auf sein zugewiesenes Zeitfenster 171 zu warten, ein Steuerfreigabe-Anfragepaket 137 an Knoten 3. Knoten 3 antwortet mit einem Steuerfreigabe-Antwortpaket 139, das in der zweiten Hälfte des Zeitfensters 171 übertragen wird.
Das kollisionsfreie TDMA-Zugriffsprotokoll der vorliegenden Erfindung kann für die Verwendung bei Paketfunknetzen bevorzugt sein. Paketfunknetze arbeiten typischerweise in einer Umgebung, die bekanntermaßen wegen verborgener Endgeräte, sich ständig ändernder Topologie, schwerwiegenden Kanalschwunds und Störungen kompliziert ist.
Sowohl die CSMA- als auch die TDMA-Kanalzugriffsprotokolle der vorliegenden Erfindung umfassen Zeitüberschreitungsdauern. Die Zeitüberschreitungsdauern für das CSMA-Protokoll sind in 3 gezeigt. Vom Zielknoten wird verlangt, automatisch auf den Steuerkanal zu schalten, wenn er keine fremde Kommunikation auf dem Datenkanal detektiert und vor der Datenkanal-Zeitüberschreitung 233 kein Datenanfragepaket vom Quellknoten empfängt. Die Zeitüberschreitung kann erreicht werden, wenn der Datenkanal durch ein anderes Knotenpaar im Quell-Abdeckungsgebiet verwendet wird, aber die Antenne des Zielknotens die Kommunikation nicht detektieren kann. Darüber hinaus kann die Datenkanal-Zeitüberschreitung erreicht werden, wenn es dem Quellknoten misslingt, auf den Datenkanal zu schalten, weil das Antwortpaket vom Zielknoten, das die Akzeptanz des Kanals anzeigt, verloren gegangen ist. Die Dauer der Datenkanal-Zeitüberschreitung 233 ist auf einen Wert eingestellt, der ausreicht, um dem Quellknoten Zeit zum Schalten auf den Datenkanal und zum Senden eines Datenanfragepakets und dem Zielknoten Zeit zum Empfangen des Datenanfragepakets zu gewähren. Die Kriterien für die Datenkanal-Zeitüberschreitung legen der Dauer der Steuerkanal-Zeitüberschreitung 133 (der Zeit, nach der die Übertragung des vorherigen Paketes als nicht erfolgreich angesehen wird und seine Neuübertragung zulässig ist) eine untere Grenze auf. Der Zielknoten muss zu der Zeit, zu welcher der Quellknoten seine Anfrage neu überträgt, zum Überwachen des Steuerkanals zurückkehren. Daher ist die Steuerkanal-Zeitüberschreitung mindestens so lang wie die Datenkanal-Zeitüberschreitung plus der doppelten Schaltzeit und der doppelten Anfrageübertragungszeit. Die Einbeziehung der Anfragepaket-Übertragungszeit ist erforderlich, weil (im CSMA-Protokoll) das Protokoll nur einen Übertragungsversuch nach Kollision zulässt. Diese Übertragung fängt im zweiten Hauptzeitfenster an, das auf die Kollision folgt, was anderen Knoten die Gelegenheit gibt, ihren Austausch zu beenden (Kollision kann eventuell nicht an allen Knoten detektiert worden sein). Im TDMA-Protokoll ist die untere Grenze der Steuerkanal-Zeitüberschreitung ebenfalls durch die Epochendauer bestimmt.
Wenn der Zielknoten das Datenanfragepaket vom Quellknoten erfolgreich empfängt (und daher seine Datenkanal-Zeitüberschreitung aufhebt), es ihm aber aus irgendeinem Grund misslingt, das Datenfreigabe-Anfragepaket zu empfangen, das auf das Ende der Datenübertragung über den Datenkanal hinweist, wird er intern gezwungen, auf den Steuerkanal zu schalten, nachdem die maximale Datenkanal-Belegungszeit, vorzugsweise näherungsweise 0,5 s, abgelaufen ist.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kombiniert die Merkmale der oben diskutierten CSMA- und TDMA-Kanalzugriffsprotokolle, wodurch sich ein CSMA-TDMA-Hybrid-Protokoll ergibt. Die Epochenstruktur ist der Struktur ähnlich, die im TDMA-Protokoll eingesetzt wird. Das Hybrid-Protokoll unterscheidet sich vom TDMA-basierten Protokoll, weil jedes Zeitfenster mit einer Folge von Minifenstern anfängt, von denen jedes eine Dauer gleich der maximalen Ausbreitungsverzögerung im Subnetz aufweist. Die Anzahl der Minifenster ist gleich der Anzahl der Knoten, und es ist jedem Knoten nur am Anfang des Minifensters, das diesem eindeutig zugewiesen ist, erlaubt, mit der Übertragung zu beginnen. Die Minifenster sind aufeinanderfolgend umlaufend nummeriert, und die Anfangs-Minifensternummer selbst ändert sich zyklisch von einem Zeitfenster zum anderen, wie in 7 gezeigt. Diese Struktur stellt fairen Zugriff für alle Knoten im Subnetz sicher. Mit fortschreitender Zeit (t) verliert ein Knoten, der anfangs dadurch bevorrechtigt war, dass sein Minifenster vor den Minifenstern aller anderen Knoten startete, seine Zugriffspriorität zugunsten jener Knoten, die durch die späten Minifenster benachteiligt waren. Ähnlich dem CSMA-basierten Protokoll ist Steuerdatenpaket-Übertragung nur zulässig, wenn der Steuerkanal wartet. Das CSMA-TDMA-Hybrid-Protokoll beseitigt Kollisionen nahezu vollständig und beinhaltet nicht die Verzögerungen im Zusammenhang mit einem TDMA-basierten Protokoll.
Bezug nehmend auf 7 wird nun das TDMA-CSMA-Hybrid-Steuerkanal-Zugriffsprotokoll in Betrieb beschrieben. Wie oben beschrieben, ist der Steuerkanal 100 in Zeitfenster (181, 182 und 183) aufgeteilt. Am Anfang eines gegebenen Zeitfensters 181 gibt es Minifenster. Als Beispiel gibt es bei einem Drei-Knoten-System drei Minifenster am Anfang jedes Zeitfensters (z. B. 181-1, 181-2 und 181-3), wie in 7 gezeigt. Der Datenaustausch fängt damit an, dass Knoten 1 ein Steueranfragepaket 131 an Knoten 3 sendet. Das Steueranfragepaket 131 wird am Anfang des Minifensters 181-1 übertragen, das Knoten 1 zugewiesen ist. Knoten 3 sendet ein Steuerantwortpaket 135, das zustimmend antwortet. Das Antwortpaket wird unmittelbar nach der Übertragung des Anfragepaketes im Zeitfenster 182 übertragen, das Knoten 1 zugewiesen ist. Nach dem Gewähren von Schaltzeit tauschen die Knoten 1 und 3 Daten 235 über den Datenkanal (oder den Steuerkanal) aus, wie in 4 gezeigt. Als Nächstes sendet Knoten 1 nach einer Verzögerungs-Zeitdauer 185, um auf sein zugewiesenes Minifenster im nächsten verfügbaren Zeitfenster 183 zu warten, ein Steuerfreigabe-Anfragepaket 137 an Knoten 3. Knoten 3 antwortet mit einem Steuerfreigabe-Antwortpaket 139, das in der zweiten Hälfte des Zeitfensters 182 übertragen wird.
In einigen Situationen können Knoten eine Anfrage nach Verbindung von einem dritten Knoten empfangen, während sie mit dem Datenkanalfreigabe-Paketaustausch mit einem anderen Knoten befasst sind. Unter derartigen Umständen wird die neue Anfrage in einem Datenpaket-Wartefeld am Knoten platziert und, nachdem die Kanalfreigabe abgeschlossen ist, unter der Voraussetzung bedient, dass die Priorität des Anfragepaketes die Priorität des eigenen Datenpaketes höchster Priorität des Knotens übersteigt. Anderenfalls wird die empfangene Anfrage ignoriert, und die Kanalverhandlung zur Übertragung des Paketes höherer Priorität wird durch Generieren und Senden eines neuen Anfragepaketes ausgelöst.
Über die oben beschriebenen Kanalverhandlungen hinaus kann der Steuerkanal für direkte Datenübertragung kleiner Datenpakete verwendet werden. Dies kann erfolgen, wenn keine neue Datenkanal-Zuteilung machbar ist oder wenn es die Auslastung des Steuerkanals erlaubt, ohne wesentliche Verschlechterung der Leistung mehr Verkehr anzunehmen. Erforderlichenfalls kann dasselbe Kanalzugriffsprotokoll für den Datenaustausch auf dem Steuerkanal wie für den Austausch von Steuerinformationen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt fairen Zugriff auf Netzressourcen für alle Knoten bereit. Wie oben diskutiert, werden die Zeiten des Übertragungsbeginns auf dem Steuerkanal unter Verwendung entweder eines Randomisierungsprozesses im CSMA-Protokoll oder einer rotierenden Priorität in den TDMA- und CSMA-TDMA-Hybrid-Protokollen bestimmt. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen der Priorität jeder Verbindungsanfrage oder Mitteilung, die durch die Knoten empfangen wird.
Jede Verbindungsanfrage oder Mitteilung, die von einer höheren Protokollschicht zum Knoten geliefert wird, beinhaltet einen Satz Parameter, der ihre Dienstklasse beschreibt. Diese Parameter können die maximale Zeit im Wartefeld (Tqmax) und die maximale Verbindungslebensdauer (Tcmax) und die Prioritätsklasse beinhalten. Tqmax beschreibt eine Verzögerungspriorität oder eine Dringlichkeit der Verbindung, und Tcmax beschreibt eine Verlustpriorität oder eine Wichtigkeit der Verbindung. Die Prioritätsklasse identifiziert die Wichtigkeit der Verbindung in Bezug auf andere Dienste, die durch das Netz unterstützt werden, und daher die Fähigkeit der Verbindungsanfrage, sich über andere um Netzressourcen wettstreitende Verbindungen hinwegzusetzen oder anderen Verbindungen zuvorzukommen. Unterschiedli che Kombinationen dieser drei Parameter beschreiben ein vollständiges Spektrum möglicher Dienstklassen.
Nachdem eine Verbindungsanfrage durch das Protokoll höherer Schicht geliefert worden ist, wird sie in einem Prioritätsmanager, der sich an jedem Knoten befindet, gemäß ihrer Prioritätsklasse verarbeitet. Der Prioritätsmanager überwacht die Zeit, welche die Verbindungsanfrage im Mitteilungswartefeld des Knotens verbringt (d. h. das Alter der Mitteilung (Tq)). Der Prioritätsmanager bestimmt außerdem, welche Mitteilung bedient werden sollte, basierend auf dem Wert eines Fensterparameters (W), der nach folgender Formel ermittelt wird: W = Tqmax-Tq. Das Kanalzugriffsprotokoll versucht, die Verbindungsanfrage der höchsten Priorität (wie durch die Prioritätsklasse bestimmt) mit dem höchsten Alter (wie durch den Fensterparameter bestimmt) zuerst zu bedienen. Wenn die dringlichste Verbindungsanfrage nicht unmittelbar bedient werden kann, erlaubt es das Kanalzugriffsprotokoll, dass die nächstdringliche Verbindungsanfrage bedient wird, wenn die Mitteilungsdauer kurz genug ist, um in das Fenster der dringlichsten Verbindung zu passen. Wenn die Verbindungsanfrage jedoch nicht hineinpasst oder wenn der Wert des Fensterparameters für die dringlichste Verbindungsanfrage kleiner als oder gleich null ist (also die Bedienungsfrist für die Verbindungsanfrage erreicht worden ist), muss das Kanalzugriffsprotokoll weiter versuchen, die Verbindungsanfrage mit der höchsten Prioritätsklassifikation zu bedienen. Verbindungsanfragen, deren Alter ihre maximale Lebensdauer (Tcmax) überschreitet, werden aus dem Wartefeld entfernt.
Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und der Umfang der Erfindung allein durch die angehängten Ansprüche unter Einräumung weitreichender Äquivalente zu definieren ist, wobei nach Durchsicht derselben dem Fachmann natürlich zahlreiche Variationen und Modifikationen einfallen.

Claims

Ein Verfahren zum Steuern des Zugriffs auf einen Steuerkanal, um die Kollisionen zwischen Steuerdatenpaketen in einem VHF-Zellular-Kommunikationssystem zu minimieren, das eine Vielzahl von Knoten, eine Vielzahl von Funkkanälen, welche die Steuerkanäle beinhalten, und eine Vielzahl von Datenkanälen umfasst, wobei jeder der Knoten fähig ist, Datenpakete von einem anderen Knoten über einen der Funkkanäle zu empfangen und zu senden, wobei der Steuerkanal für das Senden von Steuerdatenpaketen von jedem der Vielzahl von Knoten zur Verfügung steht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Empfangen eines Steuerdatenpakets, das über den Steuerkanal an einen der Vielzahl von Knoten gesendet wird, der Zugriff auf den Steuerkanal anfordert; und (b) Verhindern des Sendens über den Steuerkanal von dem Knoten, der Zugriff anfordert, während einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Empfangen eines Steuerdatenpaketes, die ausreichend ist, um dem von dem Steuerdatenpaket adressierten Knoten zu erlauben, ein Antwortsteuerdatenpaket zu senden, wodurch Kollisionen zwischen Steuerdatenpaketen auf dem Steuerkanal minimiert werden; und mit den weiteren Schritten: Teilen des Steuerkanals in eine Folge von Hauptzeitfenstern; und Teilen jedes Hauptzeitfensters in eine Folge von Minifenstern, wobei die vorbestimmte Zeitspanne der Dauer eines Hauptzeitfensters entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der von dem Steuerdatenpaket adressierte Knoten ein Antwortsteuerdatenpaket in dem ersten Minifenster innerhalb des Hauptzeitfensters unmittelbar nach dem Empfang des Steuerdatenpakets sendet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit dem weiteren Schritt des Zuweisens des Knotens, der Zugriff auf ein Minifenster innerhalb des ersten Hauptzeitfensters verlangt, nach dem Senden des Antwortsteuerdatenpakets.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Zuweisens durch den Knoten, der Zugriff verlangt, auf der Priorität des Pakets basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl der Minifenster gleich der Anzahl der Knoten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuerdatenpaket, das von einem aus der Vielzahl von Knoten, die Zugriff auf den Funkkanal anfordern, empfangen wird, auf die Beendigung des Datenaustauschs über den Kanal hinweist; mit dem weiteren Schritt: Senden eines Steuerdatenpakets, das Zugriff auf den Funkkanal anfordert, um mit einem anderen Knoten zu kommunizieren als dem Knoten, der Zugriff anfordert, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Empfang des Steuerdatenpakets vergangen ist, das auf die Beendigung des Datenaustauschs hinweist, wobei die vorbestimmte Zeitspanne ausreicht, um dem Knoten, der das Steuerdatenpaket empfangen soll, zu erlauben, ein Antwortsteuerdatenpaket zu senden.
Verfahren nach Anspruch 6, mit den weiteren Schritten: Bereitstellen einer Vielzahl von Minifenstern am Anfang jedes Hauptzeitfensters; Zuweisen eines jeden der Minifenster in jedem Zeitfenster zu einem aus der Vielzahl von Knoten; und Senden des Steuerdatenpakets, das Zugriff auf den Funkkanal anfordert, nur während das Minifenster dem Knoten zugewiesen ist, der Zugriff anfordert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Zuweisens auf der Priorität des Steuerdatenpakets basiert, das von dem Knoten gesendet werden soll.
Ein VHF-Zellular-Kommunikationssystem, mit folgenden Merkmalen: eine Vielzahl von Knoten, wobei jeder dieser Knoten ein Mittel zum Senden und ein Mittel zum Empfangen von Datenpaketen umfasst; eine Vielzahl von Funkkanälen, wobei einer dieser Funkkanäle einen Steuerkanal bezeichnet, wobei dieser Steuerkanal für die Übertragung von Steuerdatenpaketen von jedem der Vielzahl von Knoten zur Verfügung steht, wobei diese Steuerdatenpakete Zugriff auf die Funkkanäle anfordern; und wobei die Knoten die Steuerdatenpakete auf Informationen betreffend die Verfügbarkeit der Funkkanäle überwachen; und Mittel zum Steuern des Zugriffs auf den Steuerkanal, um Kollisionen zwischen Steuerdatenpaketen zu minimieren, wobei die Mittel zum Steuern des Zugriffs einem Knoten erlauben, ein Steuerdatenpaket über den Steuerkanal zu senden, nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Empfang eines Steuerdatenpakets, das über den Steuerkanal gesendet worden ist, verstrichen ist, wobei die vorbestimmte Zeitspanne ausreicht, um dem Knoten, der für das Empfangen des Steuerdatenpakets vorgesehen ist, zu erlauben, ein Antwortsteuerdatenpaket zu senden; wobei der Steuerkanal in eine Folge von Hauptzeitfenstern aufgeteilt ist und jedes Hauptzeitfenster in eine Folge von Minifenstern aufgeteilt ist, wobei die vorbestimmte Zeitspanne der Dauer eines Hauptzeitfensters entspricht.