FI101921B

FI101921B - ATM-virtuaalikanavien toteuttaminen pakettiverkossa

Info

Publication number: FI101921B
Application number: FI962382A
Authority: FI
Inventors: Mikko Olkkonen
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1998-09-15
Also published as: WO1997048211A3; FI962382A0; FI101921B1; WO1997048211A2; FI962382A; AU2965597A; EP0898824A2

Description

101921 ATM-virtuaalikanavien toteuttaminen pakettiverkossa

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä datan lähettämiseksi ilmarajapinnan yli tietoliikennejärjestelmäs-5 sä, johon kuuluu ainakin yksi ilmarajapinta sekä pakettiverkko.

Tavanomainen digitaalisissa matkaviestinjärjestelmissä käytettävä radioyhteys on piirikytkentäinen, mikä tarkoittaa, että tilaajalle varattuja radio-resursseja pidetään varattuina kyseiselle yhteydelle koko puhelun ajan. Pa-kettiradiopalvelu on uusi digitaalisiin matkaviestinjärjestelmiin suunniteltu pal-10 velu. GSM-järjestelmään suunniteltu GPRS (General Packet Radio Service) -pakettiradiopalvelu kuvataan ETSI:n suosituksissa TC-TR-GSM 02.60 ja 03.60. Yhdysvaltalaisen D-AMPS -järjestelmän pakettiradiopalvelu on nimeltään CDPD.

Pakettiradiopalvelun avulla matkaviestimen MS käyttäjälle voidaan 15 tarjota radioresursseja tehokkaasti hyödyntävä pakettimuotoinen radioyhteys. Pakettikytkentäisessä yhteydessä radioresursseja varataan vain silloin, kun dataa lähetetään. Lähetettävä data kootaan määrämittaisiksi paketeiksi. (Sanoman viimeinen paketti on yleensä lyhyempi kuin muut.) Kun tällainen paketti on lähetetty ilmarajapinnan Um yli, eikä lähettävällä osapuolella ole 20 välittömästi seuraavaa pakettia lähetettävänään, radioresurssi voidaan vapauttaa muiden tilaajien käytettäväksi.

Kuvio 1 esittää tietoliikennejärjestelmän keksinnön kannalta keskeisiä osia ja tarvittavia protokollia eli käytäntöjä datapakettien lähettämiseksi radioverkon ilmarajapinnan Um yli GPRS-järjestelmässä tekniikan tason mu-25 kaisesti. Keksinnössä ei kuitenkaan rajoituta GSM-järjestelmän yhteydessä toimivaan GPRS-pakettiradiojärjestelmään.

Tietokoneen PC sovellusohjelma muodostaa yhteyden esimerkiksi IP- (Internet Protocol) käytännön mukaisesti. PPP (Point to Point Protocol) on sovituskerros, joka tekee mahdolliseksi eri verkkokerrosprotokollien, kuten 30 esimerkiksi IP-kerroksen korvaamista muilla verkkokerrosprotokollilla, kuten OSI, X.25 tai CLNP (Connectionless Network Protocol). GLP (GPRS Link Protocol) ja MAC (Medium Access Control) toteuttavat OSI-mallin 2. kerroksen toiminnallisuuden liityttäessä fyysiseen kerrokseen eli ilmarajapintaan. Fyysinen kerros on kuvion 1 mukaisessa esimerkkitapauksessa matkaviesti-35 men MS ja tukiaseman BSS välinen ilmarajapinta Um. Tietokonetta PC ja matkaviestintä MS ympäröivä katkoviiva tarkoittaa, että tietokone ja matka- 2 101921 viestin voidaan myös integroida kiinteäksi yksiköksi, jossa on tietojenkäsitte-lyosa ja radio-osa.

Langoitetuissa pakettiverkoissa yleistyy ATM-tekniikan käyttö. Asynkroninen toimintamuoto ATM (Asynchronous Transfer Mode) on kehitetty * 5 laajakaistaiseen ISDN -verkon siirtotekniikaksi. ATM-tiedonsiirrossa tieto siirretään vakiomittaisissa 53 tavun pituisissa paketeissa, joita kutsutaan ATM-soluiksi. Kussakin solussa viisi tavua on solun otsikkoa ja loput 48 tavua hyötykuormaa (payload) eli todellista informaatiota. ATM-soluja on spesifioitu suosituksissa CCITT Recommendation 1.361 ja CCITT Draft Recommendation 10 1.150. Yksinkertaistettuna ilmaisten siirrettävä käyttäjän informaatio katkotaan kiinteämittaisiksi bittijonoiksi ja kukin bittijono sijoitetaan ATM-solun informaa-tiokenttään. Bittijonojen lukumäärä aikayksikössä kuvaa käyttäjän tarvitsemaa siirtokapasiteettia. Informaatiokenttään liitetään lisäksi jäljempänä tekstissä tarkemmin selostettava otsake, jolloin syntyy vakiomittainen 53 tavun pituinen 15 ATM-solu. Solu on itsenäinen tiedonkuljetusyksikkö, koska se sisältää välillisesti tiedon vastaanottajan osoitteesta, jonka perusteella vastaanottaja löytyy verkosta. ATM-verkossa on määritelty useita erilaisia palvelukriteerejä, joille voidaan asettaa suuri joukko erilaisia parametreja. Tällaisia kriteerejä ovat mm. vasteaika, bittivirhesuhde ja todennäköisyys paketin kadottamiselle.

20 ATM on yhteydellinen (Connection Oriented) pakettiverkko, mikä tarkoittaa, että yhteyksiä muodostetaan ja päätetään standardoitujen käytäntöjen mukaisesti. Kahden osapuolen välistä yhteyttä ATM-verkon kautta kutsutaan ATM-virtuaalikanavaksi (Virtual Channel). ATM:n etuina mainittakoon mm. se, että erilaisia palveluita voidaan tarjota joustavasti. Esimerkiksi kaikki 25 kaistaleveydet ovat ATM-verkossa yhtä luonnollisia fyysisen kerroksen kapasiteetin puitteissa (nykyisellä tekniikalla välillä 1,5 - 622 Mbps).

Artikkelissa Jouni Mikkonen: ”A possible scenario for wireless ATM”,

Mobile Communications International, helmikuu 1996, s. 59 - 61 ehdotetaan ATM-verkon laajentamista ilmarajapinnan yli matkaviestimelle. Mainitussa 30 artikkelissa ei suoraan oteta kantaa siihen, kuinka ATM-solut tulisi kuljettaa ilmarajapinnan yli.

ATM-tekniikan suoraviivaisessa toteutuksessa jokainen ATM-solu kuljetetaan ilmarajapinnan yli omana radiopakettinaan. Tällaista ratkaisua esittää kuvio 2. Sovelluskerroksen tuottamat sanomat muunnetaan kiinteän 35 pituisiksi ATM-soluiksi sovituskerroksilla AAL (ATM Adaptation Layer) ja SAAL (Signalling ATM Adaptation Layer). Viime mainitussa tapauksessa so-vituskerrosta SAAL edeltää ITU:n käytännön Q.2931 mukainen sovituskerros.

3 101921 Q.2931 on ITU:n signalointiprotokolla. Se mm. muodostaa ja purkaa yhteyksiä lähettämällä Setup-ja Release-sanomia.

ATM-solujen paketointi sellaisenaan pakettiradioverkon paketeiksi huonontaa käytettävissä olevaa kaistaleveyttä, koska jokainen protokollaker-5 ros liittää paketteihin omat otsakkeensa. Tätä havainnollistaa kuvio 3, jossa D (Data) tarkoittaa hyötykuormaa, H (Header) tarkoittaa ATM-solun otsaketta ja R (Radio) tarkoittaa radiopaketin otsaketta. Lisäksi kaistaleveyden käytön tehokkuutta huonontaa se, että eri kerroksilla käytettävien pakettien pituudet eivät ole toistensa monikertoja, jolloin kaikkia paketteja ei saada täyteen.

10 Sellaisenaan ATM-solut soveltuvat huonosti pakettiradioverkon lähetysyksi-köiksi, koska radioresurssin varaaminen ja vapauttaminen jokaista 53 tavun mittaista ATM-solua varten olisi epätaloudellista. Eräänä ongelmana voidaan pitää myös sitä, että nykyisissä pakettiradioverkossa ei voida tarjota isokroni-sia ATM-yhteyksiä.

15 Keksinnön tavoitteena on siten kehittää sellainen menetelmä, että yllä mainitut ATM-virtuaalikanavat voidaan toteuttaa pakettiradioverkon kautta siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Menetelmän tulisi olla mahdollisimman joustava. Tämä tarkoittaa sitä, että menetelmä voidaan ottaa käyttöön nykyisissä järjestelmissä pienin muutoksin, mutta toisaalta sen tulee 20 sallia joustava laajentaminen seuraavan sukupolven pakettiradiojärjestelmiä ajatellen.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan menetelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 25 kohteena.

Keksintö perustuu siihen, että ATM-soluja tai edullisen vaihtoehdon mukaan oleellisesti pelkkiä solujen hyötykuormia yhdistetään suuremmiksi lähetysyksiköiksi ilmarajapinnan kautta tapahtuvaa lähetystä varten. Tällä järjestelyllä optimoidaan pullonkaulana toimivan ilmarajapinnan välityskyky ja 30 helpotetaan ATM-solujen paketointia uudelleen langoitetussa verkossa tapahtuvaa lähetystä varten.

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: 35 Kuvio 1 esittää tietoliikennejärjestelmän keksinnön kannalta keskei siä osia ja tarvittavia protokollia datapakettien lähettämiseksi radioverkon ilmarajapinnan Um yli GPRS-järjestelmässä tekniikan tason mukaisesti; 4 101921

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista järjestelmää ja tarvittavia protokollia, kun ATM-verkko ulotetaan matkaviestimelle;

Kuvio 3 esittää pakettien lähettämistä ilmarajapinnan yli ATM-tekniikalla tekniikan tason mukaisesti; ja 5 Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista tekniikkaa ATM-verkon ulottami seksi matkaviestimelle; ja

Kuvio 5 esittää pakettien lähettämistä ilmarajapinnan yli ATM-tekniikalla keksinnön mukaisesti.

10

Viitaten kuvioihin 4 ja 5, keksinnön mukaisesti protokollapinoa täydennetään ATM-kerroksen alapuolella (lähempänä fyysistä kerrosta) olevalla sovituskerroksella, jonka tehtävä on muodostaa kuljetuspaketeista TP (Transport Packet), radiopaketteja RP siten, että ainakin joihinkin radiopa-15 ketteihin RP yhdistetään useita kuljetuspaketteja TP tai ainakin niiden osia. ATM-verkon tapauksessa kuljetuspaketit ovat ATM-soluja. GPRS-pakettiradioverkon tapauksessa radiopaketit ovat n. 300 tavun mittaisia GPRS-paketteja.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan tietokoneen yhteys-20 ohjelman muodostamia ATM-soluja yhdistetään radiotietä varten suuremmaksi lähetyspaketiksi XP (Transmission Packet), jonka koko valitaan siten, että radiotien maksimaalista varausaikaa ei ylitetä. Ns. "kolmannen sukupolven” eli UMTS-matkaviestinjärjestelmässä radiotiellä lähetettävän paketin optimaalinen koko voisi olla n. 3000 tavua, mikä vastaa n. 60:n ATM-solun hyöty-• 25 kuormaa. Pitkiä datasiirtoja varten radioresurssi varataan niin pitkäksi ajaksi kuin se kyseisellä radiotiellä on mahdollista varata. Tällä menetelmällä netto-kaistaleveys on huomattavasti parempi kuin jos jokainen ATM-solu kuljetetaan ilmarajapinnan yli omana radiopakettinaan.

Edullisen vaihtoehdon mukaan radiotiellä ei lähetetä ATM-solujen 30 otsakkeita vaan ainoastaan solujen hyötykuormat. Tämä vaihtoehto perustuu siihen havaintoon, että ATM-solun otsakkeessa olevista tiedoista suurin osa voidaan generoida uudelleen ilmarajapinnan yli tapahtuneen lähetyksen jälkeen. Tarkemmin sanottuna ATM-solun otsake käyttäjän ja verkon rajapinnassa UNI (User Network Interface) koostuu seuraavista biteistä: 35 vuon ohjaus (flow control) 4 bittiä näennäispolun osoitin (virtual path indicator, VPI) 8 bittiä näennäiskanavan osoitin (virtual channel indicator, VCI) 16 bittiä 5 101921 hyötykuorman tyyppi (payload type) 3 bittiä solun häviön prioriteetti (cell loss priority) 1 bitti otsakkeen tarkistussekvenssi (header check sequence) 8 bittiä yhteensä 40 bittiä 5

Pitkän datasiirron aikana useimmat, mahdollisesti jopa kaikki otsakkeen bitit ovat samoja. Kuitenkin esimerkiksi joidenkin koodekkien yhteydessä jotkut kehykset ovat tärkeämpiä kuin muut. Tämä tieto voidaan sisällyttää kenttään ’’solun häviön prioriteetti”. Tämän kentän muuttuessa muuttuu myös 10 otsakkeen tarkistussekvenssi. Solusta toiseen muuttuvien osien, kuten tar-kistussekvenssin osalta voidaan lähettää jokaisen ATM-solun otsakkeen muuttuvat informaatioelementit radiotien yli ja generoidaan muuttumattomat informaatioelementit vastaanottopuolella. Sovelluksissa, joissa otsakkeen bitit muuttuvat vain harvoin, voi olla edullista lähettää erillinen tietokenttä, joka 15 kertoo, että otsakkeen bitit muuttuvat kahden peräkkäisen kehyksen välillä.

Se informaatio, joka on peräisin ATM-solujen hyötykuormasta, voidaan pakata erikseen jollakin redundanssia poistavalla algoritmilla, kuten esimerkiksi Lempel-Ziv -algoritmilla. Pakkausalgoritmit toimivat sitä paremmin, mitä suurempi määrä dataa niillä on kerrallaan käytettävissään. Yhden 20 ATM-solun pakkaaminen kerrallaan ei tuota hyvää pakkaustulosta.

Vuorovaikutteisissa sovelluksissa data muodostuu ainakin osaksi käyttäjän näppäilemästä informaatiosta. Tällöin on vasteaikojen pitämiseksi kohtuullisina edullista toteuttaa aikavalvonta, joka huolehtii siitä, että lähetys-paketit XP lähetetään viimeistään silloin, kun ennaltamäärätty aika T on kulu-25 nut ensimmäisen kuljetuspaketin TP yhdistämisestä kyseiseen lähetyspaket-tiin XP. Aika T valitaan siten, että käyttäjä ei koe viivettä häiritsevänä. Sopiva aika voi olla suuruusluokassa 0,1 - 0,5 s, edullisesti 0,2 s.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin-30 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

101921

1. Menetelmä datan (D) lähettämiseksi ilmarajapinnan yli tietoliikennejärjestelmässä, johon kuuluu ainakin yksi ilmarajapinta (Um) sekä paketti-5 verkko, jossa menetelmässä: - lähetettävästä datasta (D) muodostetaan kuljetuskehyksiä (TF); - kuljetuskehykset jaetaan kuljetuspaketeiksi (TP), joilla on otsake ja hyötykuormaosa; - kuljetuspaketeista (TP) muodostetaan radiopaketteja (RP), jotka 10 lähetetään ilmarajapinnan (Um) yli; tunnettu siitä, että - ainakin joihinkin radiopaketteihin (RP) yhdistetään useita kuljetus-paketteja (TP) tai ainakin niiden osia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että - kuljetuspaketeista (TP) muodostetaan lähetyspaketteja (XP) siten, että ainakin joihinkin lähetyspaketteihin (XP) yhdistetään useita kuljetuspa-ketteja (TP) tai ainakin niiden osia; - lähetyspaketit (XP) pakataan poistamalla niistä redundanttisia 20 osia; ja - pakatuista lähetyspaketeista (XP) muodostetaan radiopaketteja (RP).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 lähetyspakettien (XP) pakkaaminen suoritetaan poistamalla redundanttisia osia siitä informaatiosta, joka on peräisin kuljetuspakettien (TP) otsakkeesta.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetyspakettien (XP) pakkaaminen suoritetaan poistamalla redundantti- 30 siä osia siitä informaatiosta, joka on peräisin kuljetuspakettien (TP) hyöty-kuormaosasta.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 2-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetyspakettien (XP) koko valitaan mahdollisimman suureksi, kui- 35 tenkin korkeintaan radiopaketin (RP) hyötykuorman suuruiseksi. 101921

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetyspaketit (XP) muunnetaan radiopaketeiksi ja lähetetään viimeistään silloin, kun ennaltamäärätty aika (T) on kulunut ensimmäisen kulje-tuspaketin (TP) yhdistämisestä kyseiseen lähetyspakettiin (XP). 5

7. Jonkin patenttivaatimuksen 2-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetyspaketit (XP) lähetetään, kun havaitaan, että lähetyspakettiin (XP) liitetty kuljetuspaketti (TP) on viimeinen kyseisestä kuljetuskehyksestä (TF) muodostettu kuljetuspaketti. 10

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1 -7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pakettiverkko on ATM-verkko, jolloin kuljetuspaketti (TP) on ATM-solu ja kuljetuskehys (TF) on ATM-sovituskerroksen kehys.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että radiopaketti (RP) on GPRS-järjestelmän tai UMTS-järjestelmän ra-diopaketti. k 101921