WO2003107593A1

WO2003107593A1 - Verfahren zur steuerung von datenverbindungen

Info

Publication number: WO2003107593A1
Application number: PCT/DE2003/001857
Authority: WO
Inventors: Ludger Marwitz
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2003-12-24
Also published as: AU2003249847A1; DE10226107A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung von Datenverbindungen zur Übertragung von Daten über zu unterschiedlichen Applikationen zugeordneten Datenverbindungen in einem lokalen Netz mit zumindest zwei zur Datenübertragung ausgestalteten Stationen, wobei den Applikationen unterschiedliche Prioritäten zugeordnet werden bei dem die Übertragungszeitpunkte in Abhängigkeit des Auftretens von Datenverbindungen höherer Priorität festgelegt werden.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Steuerung von Datenverbindungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Datenverbindungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der stetig konvergierenden Kommunikations- bzw. Informationstechnik sind Netze, wie beispielsweise ein "Lokal Area Network" LAN, mit einer Vielzahl von zur Datenübertragung ausgestalteter Stationen bekannt, wobei die Übertragung der Daten drahtgebunden, d.h. über die Stationen verbindenden Leitungen, erfolgt, während bei einem gemäß dem IEEE 820.11 Standard ausgebildeten lokalen Netz ("Wireless Local Area Network", WLAN) , die Übertragung drahtlos, d.h. über eine

Funkstrecke, realisiert wird, wobei bei einem WLAN auch ein hybrides Netz aus über Leitung oder Funkstrecke angebundenen Stationen zulässig ist.

Auf den diesen Netzen angeschlossenen Stationen sind zumeist Applikationen implementiert bzw. zum Teil fest installiert, die verschiedene Dienste umfassen und sich - abhängig von der Art der Station - von Station zu Station unterscheiden können. So hat die Konvergierung von Netzen der Informations- und Kommunikationstechnik zu einer Entwicklung der Netze und Dienste von der Übertragung "zeitunkritischer" Daten wie sie bei einem Filetransfer, oder der Übertragung von E-Mails anfallen, hin zu Netzen mit "zeitkritischen" Daten geführt, wie beispielsweise die Übertragung von Sprachdaten ("Voice over IP", VoIP ), Videokonferenzen und Streaming Media, wobei die letztgenannten Dienste unter anderem deswegen so zeitkritisch sind, da Verzögerungen und/oder Datenverluste von einem Nutzer unmittelbar erfasst, d.h. gehört bzw. gesehen werden, und aus diesem Grund möglichst eine Echtzeitübertragung der zuge- hörigen Daten gefordert ist. In einem WLAN werden im Allgemeinen sowohl zeitkritische als auch zeitunkritische Daten übermittelt. Bei einer beispielhaften, einer Simulation zugrundegelegten, WLAN Anordnung, wie sie in FIGUR 1 dargestellt ist, mit einer, als PC, Work- Station oder Server ausgestalteten, ersten Station SERVl sowie zweiten Station SERV2, einer, als mobiles Endgerät zur Sprachkommunikation ausgestalteter, dritten Station PP1 sowie vierten Station PP2 und einer, als zur Darstellung von Videodaten ausgestaltete, vierten Station VS1, die sich durch eine einen Funkversorgungsbereich bereitstellende Station ("Wire- less Access Point") WAP über Funk zu einem Netz vereinen, sind beispielsweise bei einer Simulation der Anwendung des zur Zeit gültigen IEEE 802.11 Standards, die in FIGUR 2 dargestellten Datenaufkommen FTP1, FTP2, VIDEO und VOICE zu beo- bachten.

Das Simulationsergebnis in FIGUR 2 zeigt, dass eine für die Datenübertragung zur Verfügung stehende Bandbreite mit der Anzahl der aktiven Dienste - und somit weiterer Übertragungen - abnimmt, so dass im Ergebnis sogar eine für die (Echt-

) zeitkritische Anwendung Video Stream geforderte minimale Datenrate von 8 Mb/s nicht erreicht wird, wobei zudem noch Datenpakete verloren gehen. Dagegen sind für einzelne zeitunkritische Filetransfers FTP1 .. FTP2 sogar bis zu 14 Mb/s möglich.

Aus diesem Grund ist im Standard IEEE802.11e eine sogenannte Dienstgüte eingeführt worden. Unter Dienstgüte ("Quality of Service", QoS) versteht man alle Verfahren die den Datenfluss in LANs und WANs so beeinflussen, dass der Dienst mit einer festgelegten Qualität beim Empfänger ankommt. Zur Umsetzung sind einige Ansätze entwickelt worden, wie zum Beispiel die Priorisierung des Datenverkehrs. Der Ansatz der Priorisierung sieht vor, dass zeitkritischen Diensten, wie Video Stream, eine höhere Priorität zugeordnet wird, als zeitunkritischen, wobei der Priorisierung folgend, Datenpakete die zu Diensten mit niedrigerer Priorität gehören, grundsätzlich mit einer durch die Priorisierung festgelegten Verzögerungszeit verzögert übertragen werden, so dass für Datenpakete, die zu Diensten mit höherer Priorität gehören, eine höhere Datenrate erreicht wird.

Bei einer Simulation der Anwendung des IEEE 802.11 Standards in einer Anordnung gemäß FIGUR 1, ergibt sich ein in FIGUR 3 gezeigter Verlauf, aus dem ersichtlich wird, dass zwar die für Video Stream geforderte Mini aldatenrate von 8 Mb/s ge- währleistet ist, die Datenrate der Filetransfers FTP1 .. FTP2 sinkt dagegen überproportional ab und erreicht selbst in Zeiten, in denen keine zeitkritischen Daten, d.h. keine Daten höhere Priorität übertragen werden, nicht die Bandbreite von 14 Mb/s, wie es gemäß der Simulation der Anwendung der zur Zeit verwendeten IEEE 802.11 Standards der Fall ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es ein Verfahren anzugeben, die eine effektive Nutzung von zur Datenübertragung bereitstehenden Ressourcen eines lokalen Netzes er- möglichen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Bei dem Verfahren zur Steuerung von Datenverbindungen zur Ü- bertragung von Daten über zu unterschiedlichen Applikationen zugeordneten Datenverbindungen in einem lokalen Netz mit zumindest zwei zur Datenübertragung ausgestalteten Stationen, wobei den Applikationen unterschiedliche Prioritäten zugeord- net werden gemäß Anspruch 1, werden die Übertragungszeitpunkte in Abhängigkeit des Auftretens von Datenverbindungen höherer Priorität festgelegt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in Zeiten geringer Nutzung der Übertragungsmedien durch höher priorisierte Anwendungen, den Anwendungen mit niedriger Priorität aufwandsarm ein höherer Datendurchsatz bzw. eine höhere Datenrate er- möglicht, so dass die Übertragungsmedien im Mittel effektiver genutzt werden. Durch die Verknüpfung der Festlegung mit dem Auftreten von Datenübertragungen mit höherer Priorität, ist dabei auch weiterhin eine Bevorzugung echtzeitkritischer Datenübertragung möglich.

Vorzugsweise werden die ÜbertragungsZeitpunkte kontinuierlich festgelegt, wobei hierdurch gewährleistet ist, dass stets der aktuelle Wert des Auftretens berücksichtigt wird.

Alternativ können die Übertragungszeitpunkte in diskreten Zeitabständen festgelegt werden, so dass eine Vereinfachung des Ablaufs ermöglicht wird.

Erfolgt die Festlegung in Abhängigkeit einer Schwellwertentscheidung, so wird noch ein Parameter zur Steuerung des Verfahrens hinzugefügt, dessen Wert durch Berechnung und/oder Simulation ermittelt und auf seine Anwendung hin optimiert werden kann.

Vorzugsweise zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass a) die Datenverbindung durch Segmentierung der Daten in Datenpakete sowie Übertragung der Datenpakete in zugeordneten Zeitrahmen realisiert wird, b) zur Realisierung der unterschiedlichen Prioritäten in zugeordneten den Zeitrahmen folgenden Zeitfenstern Verzögerungsdatenpakete Übertragen werden, c) zur Festlegung der Übertragungszeitpunkte die Dauer der Verzögerungsdatenpakete variiert wird, so dass eine einfache Implementierung in lokalen Netzen ermöglicht wird, wobei das lokale Netz vorzugsweise als "LAN", insbesondere als drahtloses lokales Netz "WLAN" gemäß dem IEEE 802.11 Standard, funktioniert.

Eine zentrale Festlegung hat den Vorteil, dass das Verfahren lediglich an einer bzw. einigen wenigen Instanzen des lokalen Netzes implementiert werden uss, während eine dezentrale Steuerung den Vorteil aufweist, dass das Verfahren implementierende Stationen ohne großen Aufwand bzw. ohne Änderungen bestehender Netze, in dieselben aufgenommen werden kann.

Weitere Einzelheiten sowie Vorteile der Erfindung, werden ausgehend von dem den Stand der Technik wiedergebenden Figuren 1 bis 3 anhand der Figuren 4 bis 5 erläutert. Im einzelnen zeigen:

FIGUR 1 Eine beispielhafte Anordnung (Szenario) eines drahtlosen lokalen Netzes,

FIGUR 2 Als Ergebnis einer Simulation, Datenraten bei Anwendung zur Zeit eingesetzter IEEE 802.11 Standards,

FIGUR 3 Als Ergebnis einer Simulation, Datenraten bei Anwendung des Entwurfs des IEEE 802. lle Standards,

FIGUR 4 Schematische Darstellung der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Rahmenstruktur eines Ausführungsbeispiels,

FIGUR 5 Schematische Darstellung der Realisierung von Verzögerungsdatenpaketen,

FIGUR 6 Als Ergebnis einer Simulation, Datenraten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

In FIGUR 1 ist wie Eingangs erläutert, als ein mögliches Szenario eine beispielhafte Anordnung eines drahtlosen lokalen Netzwerks dargestellt.

FIGUR 2 zeigt, wie oben untersucht, unterschiedliche Datenra- ten, die sich aus einer rechnertechnischen Simulation der Anwendung gültiger IEEE Standards, d.h. einem der Standards IEEE 802.11a bis d, in dem oben genannten Szenario ergeben, während, wie bereits oben eingehender erläutert, FIGUR 3, die Ergebnisse einer Simulation der Anwendung des sich in Entwicklung befindenden Standards IEEE 802. lle in dem Szenario darstellt.

Dagegen zeigt die FIGUR 4 anhand der Rahmenstruktur eines, das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden, Netzes, die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine derartige Rahmenstruktur ist im Allgemeinen bei Netzen, die gemäß den Standards IEEE 802.11a-e implementiert sind, bekannt. Bei solchen Netzen werden zu Übertragende Daten in Datenpakete segmentiert, welche in Zeitrahmen übertragen werden. Da im Allgemeinen mehrere Stationen FTP1, FTP2, PP1, PP2, VS bzw. durch die Stationen FTP1, FTP2, PP1, PP2, VS bereitgestellte Dienste aktiv sind und zumeist Daten mit anderen Stationen FTP1, FTP2, PP1, PP2, VS austauschen, ist eine Regelung des Zugriffs auf das Übertragungsmedium erforderlich, da es bei gleichzeitigem Zugriff sonst zu Kollisionen kommt. Aus diesem Grund folgt einem Rahmen ("Frame"), in dem eine Datenübertragung stattgefunden hat, für die Dauer einiger Zeitschlitze ein sogenanntes Wettbewerbsfenster in dem nach einer von der Priorität der Daten abhängen Verzögerungszeit DELAY die einzelnen sendewilligen Stationen den Übertra- gungskanal dahingehend abhorchen, ob er frei oder belegt ist. Da Datenübertragungen mit einer höheren Priorität eine kürzere Verzögerungszeit zugeordnet wird, erreichen diese Datenübertragungen eine höhere Datenrate, weil sie früher den Kanal abhorchen und belegen können, als andere Datenübertragun- gen mit niedriger Priorität.

Ist ein Kanal frei, belegt ihn die sendewillige Station und - nach Ablauf einer, zumeist zufällig im Rahmen eines sogenannten Backoffs CONTENTION zur Kollisionsvermeidung, bestimmten Anzahl einiger Verzögerungs-Zeitschlitze t_ß ~ wird in einem neuen Zeitrahmen mit der Übertragung begonnen. Erfindungsgemäß erfolgt die Festlegung der Verzögerungszeiten nicht allein aufgrund der Priorität, sondern zusätzlich auf grund der Aktivität von Datenübertragungen höherer Priorität.

Beispielsweise wird die Verzögerungszeit DELAY der Übertragung von Datenpaketen DATA, die zu einem im Allgemeinen mit niedriger Priorität versehenen Filetransfer gehören, mit einem kleineren Wert belegt, wenn vernachlässigbar wenig bzw. keine Datenpakete, die zu Datenübertragungen höherer Priori- tat gehören, zur Übertragung anstehen.

Hierdurch wird eine dynamische, adaptive Verzögerung bzw. Zugriffsteuerung erreicht, so dass in Zeiten geringer Nutzung echtzeitkritischer Dienste, die vorhandenen Ressourcen effek- tiver unter den verbleibenden niedrig priorisierten Datenübertragungen aufgeteilt werden.

Nimmt dagegen die Aktivität höher priorisierter Datenübertragungen zu, so wird der Wert Verzögerung niedrig priorisierter Datenübertragungen wieder hoch gesetzt.

Die Abfrage und Festlegung der Verzögerung kann kontinuierlich erfolgen oder alternativ in diskreten Zeitabständen, wobei ein Herabsetzen der Verzögerung bei Datenübertragung niedriger Priorität entweder nur dann erfolgt, wenn keine Aktivitäten höher priorisierter Datenübertragungen erfasst werden oder alternativ bei Unterschreitung eines Schwellwertes durch den Wert der Aktivität.

In Figur 5 zeigt die Darstellung den prinzipiellen Ablauf einer im Rahmen einer Kollisionsbehandlung durchgeführten Ermittlung der BackoffZeiten, bei der die Verzögerungszeit DELAY durch Multiplikation eines Prioritätsfaktors mit der jeweiligen Backoffzeit der Datenübertragung ermittelt wird, wobei bei dem gezeigten Beispiel der Prioritätsfaktor 1/8 für hoch priorisierte Daten DATA und der Prioritätsfaktor 1/2 für niedrig priorisierte Daten DATA gesetzt sind. Zu erkennen ist, dass sich abhängig von der Anzahl hintereinander auftretender Kollisionen IST, 2ND, 3RD sowohl die Backoffzeit als auch - durch die multiplikative Verknüpfung erge- bend - die erfindungsgemäß festgelegte - dynamische - Verzögerungszeit DELAY verlängert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, wird wie aus FIGUR 6 zu entnehmen, erreicht, dass Datenübertragungen mit niedriger Priorität im Mittel höhere Datenraten erreichen, als bei Verfahren nach dem Stand der Technik (siehe FIGUREN 2 und 3) . Das in FIGUR 6 dargestellte Simulationsergebnis zeigt den Verlauf der Datenraten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Eingangs erwähnten Szenario.

Aus diesem Verlauf wird deutlich, dass zum einen die Minimale Datenrate von 8 Mb/s für Video-Stream Anwendungen gewährleistet ist und zudem noch außerhalb der Zeiten, in denen zum Viedeo-Stream zugehörige Daten auftreten, die Datenraten der Filetransfers FTP1, FTP2 einen beachtlichen Wert erzielen, so dass hierfür im Mittel eine höhere Datenrate erzielt wird und im Vergleich zum Stand der Technik die vorhandenen Ressourcen besser genützt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Steuerung von Datenverbindungen zur Übertragung von Daten über zu unterschiedlichen Applikationen zugeordneten Datenverbindungen (FTP1, FTP2, VIDEO, VOICE) in einem lokalen Netz (WLAN) mit zumindest zwei zur Da^¬ tenübertragung ausgestalteten Stationen (SERVl, SERV2, PP1, PP2, VS1) , wobei den Applikationen unterschiedliche Prioritäten zugeordnet werden, dadurch gekennzeich- net, dass die Übertragungszeitpunkte in Abhängigkeit des Auftretens von Datenverbindungen höherer Priorität (VIDEO) festgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungszeitpunkte kontinuierlich festgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungszeitpunkte in diskreten Zeitabstän- den festgelegt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung in Abhängigkeit einer Schwellwertentscheidung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Datenverbindung durch Segmentierung der Daten in Datenpakete (DATA) sowie Übertragung der Datenpakete in zugeordneten Zeitrahmen realisiert wird, b) zur Realisierung der unterschiedlichen Prioritäten in zugeordneten den Zeitrahmen folgenden Zeitfenstern Verzögerungsdatenpakete übertragen werden, c) zur Festlegung der Übertragungszeitpunkte die Dauer der Verzögerungszeiten (DELAY) variiert wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lokales Netz als "LAN", insbesondere als drahtloses lokales Netz (WLAN) gemäß dem IEEE 802.11 Standard, funktioniert.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge en zeichnet, dass die Festlegung zentral, insbesondere durch zumindest einen drahtlosen Zugangspunkte "Access Point" (WAP) des lokalen Netzes, gesteuert wird.

Verfahren nach Anspruch 6, , dadurch gekennzeichnet, dass die Festlegung dezentral durch die Stationen

(SERVl, SERV2, PP1, PP2, VS1) des lokalen Netzes gesteuert wird.