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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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FACHGEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Funkkommunikation
und insbesondere ein System und Verfahren zur Ablaufplanung von Datenübertragungen
in drahtlosen Datenkommunikationssystemen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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In
der neuen Generation von drahtlosen Datenkommunikationsdiensten,
wie etwa dem Allgemeinen Paketvermittelten Funkdienst (GPRS) im
Globalen System für
Mobilfunk-Kommunikation (GSM), werden Datenpakete von einer Anwendung
zur anderen über
eine Funk-Luftschnittstelle übertragen. Somit
stellt der GPRS ein Mittel zur Beförderung einer Anwendung von
einem Zentralsender zu einem Empfänger bereit. In dieser Hinsicht
werden Datenpakete (normalerweise Internetprotokoll- oder IP-Pakete)
an einem Zugangspunkt einem GPRS übergeben, durch das GPRS-System
befördert
und schließlich
an einem zweiten GPRS-Zugangspunkt zugestellt.
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In
der GPRS-Dienstbeschreibung, Stufe 1 (Technische GSM-Spezifikation
02.60, Version 5.1.0) wird eine Anzahl unterschiedlicher Dienstgüte-(QoS-)Klassen
beschrieben. Jede solche QoS-Klasse wird ferner durch eine Menge
von Dienstparametern beschrieben. Diese QoS-Parameter weisen maximale
Verzögerung,
minimalen mittleren Durchsatz, Priorität und Grad der Zuverlässigkeit auf.
Jede Dienstsitzung (zum Beispiel "Paketdatenverarbeitungs- oder PDP-Kontext" im GPRS) abonniert
eine QoS-Klasse.
Das durchgehende Leistungsvermögen
des GPRS ist wichtig für
eine Anwendung. Folglich werden alle QoS-Parameter von Zugangspunkt
zu Zugangspunkt definiert.
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Somit
wird die QoS in einem GPRS gemäß der GPRS-Spezifikation
entweder zwischen den Bezugspunkten "R" oder "S" und "Gi" gemessen.
Ein GPRS ist erforderlich, um jede Dienstsitzung mit einem Trägerdienst
zu versorgen, der der vereinbarten QoS-Klasse genügt. Allgemein
bedeutet dies eine Ablaufplanung der Übertragung von ankommenden Datenpaketen.
Ist eine Menge von Datenpaketen mit unterschiedlichen QoS-Anforderungen
und unterschiedlichen Ankunftszeiten in bezug auf das GPRS-System gegeben, besteht
ein erhebliches Problem darin, zu bestimmen, in welcher Reihenfolge
diese Pakete über
unterschiedliche Verbindungsstrecken übertragen werden sollen, um
die versprochenen QoS-Anforderungen
der jeweiligen QoS-Klassen einzuhalten. Dieses Ablaufplanungsproblem
wird durch die Tatsache kompliziert, dass der Durchsatz pro Verbindungsstrecke
von den Funkverbindungsbedingungen abhängt. Folglich unterscheidet
sich der Durchsatz pro Funkverbindungsstrecke von Benutzer zu Benutzer
und von einem Zeitpunkt zu einem anderen. Diese Tatsache bedeutet
auch, dass die Gesamtbandbreite auf einer Verbindungsstrecke oder
in einer Zelle vom Benutzer der Verbindungsstrecke und damit von
der Ablaufplanung der Paketübertragungen
abhängt.
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Außerdem ist
ein GPRS in unterschiedliche Teilsysteme unterteilt, was die Komplexität des Ablaufplanungsproblems
erhöht.
Man beachte, wie oben erwähnt,
dass die QoS in einem GPRS-System durchgehend gemessen wird, zum
Beispiel zusätzlich
zur QoS-Verzögerung
und der Summe der Verzögerungen
im Vermittlungssystems-(SS-)Teil und im Basisstationssystem-(BSS-)Teil
des Datenkommunikationssystems. Genauer gesagt, ist die QoS-Verzögerungszeit
die Summe aus den Einreihungszeiten im Gateway-GPRS-Unterstützungsknoten
(GGSN), im Serving-GPRS-Unterstützungsknoten
(SGSN) und in der Paketsteuerungseinheit (PCU), der Verarbeitungszeit
und der Übertragungszeit über alle
Verbindungsstrecken. Jedoch sind in einem richtig dimensionierten
GPRS-System die
Hauptbeitragenden zur Gesamtverzögerung
die Einreihungszeiten und die Übertragungszeit über die
Funk-Luftschnittstelle.
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Bestehende
Algorithmen platzieren bestimmte Ablaufplanungsfunktionen im SS-Teil
des Systems (genauer gesagt, in der Logischen Verbindungssteuerungs-
oder LLC-Protokollschicht), und einige andere im BSS-Teil (in der
MAC/RLC-Protokollschicht). Die Ablaufplanungsfunktion im BSS-Teil betrifft
die Reihenfolge, in der LLC-Rahmen an das BSS übergeben werden sollen. Die
SS-Ablaufplanungsfunktion erfolgt unter Berücksichtigung der Paketankunftszeiten
und der QoS-Parameter des entsprechenden Datenflusses. Außerdem kann
die SS-Ablaufplanungsfunktion einige begrenzte Information über die
Daten-Warteschlangen
im BSS und die geschätzte
Gesamtbandbreite in jeder Zelle berücksichtigen.
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Die
Ablaufplanungsfunktion im BSS bestimmt, in welcher Reihenfolge und
auf welchen Funkverbindungsstrecken ankommende LLC-Rahmen übertragen
werden sollen. In der BSS-Ablaufplanungsfunktion
kann das BSS jegliche Information, die es über die Qualität der Funkverbindungsstrecken
hat, und die Zeit, zu der der LLC-Rahmen vom SS an das BSS übergeben
wurde, berücksichtigen. Außerdem kann
das BSS einige sehr begrenzte Information über die relative Wichtigkeit
der LLC-Rahmen berücksichtigen,
die durch das SS bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel ist in
den Lösungen
zur QoS- und Flusssteuerung, die in den Technischen GSM-Spezifikation
02.60 und 08.18 (BSS-SGSN; BSS-GPRS-Protokoll,
Version 5.0.0) präsentiert
werden, die SS-Information über
die Bedingungen im BSS auf die geschätzte mittlere Gesamtbandbreite
in jeder Zelle und eingeschränkte
Information über
die Länge
der BSS-Warteschlangen begrenzt, soweit sie in Flusssteuerungsnachrichten übermittelt
wird.
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Die
bestehenden Systeme und Ablaufplanungsmethoden sind unfähig, eine
brauchbare QoS-Lösung für ein GPRS
zu implementieren. Außerdem
sind die bestehenden Systeme und Ablaufplanungsmethoden mit grundlegenden
Mängeln
behaftet, was zu übermäßiger Prozessorlast,
schlechter Verbindungsstrecken-Ausnutzung und geringem Durchsatz
führen
kann. Die folgenden Beispiele veranschaulichen diese Probleme.
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Ein
Problem besteht darin, dass die bestehenden Systeme und Ablaufplanungsmethoden
außerstande
sind, zu bestimmen, wie gut die von Teilnehmern gestellten QoS-Anforderungen
erfüllt
werden. Insbesondere kennt der BSS-Teil des Systems nicht die Einreihungszeit
im SS-Teil. Folglich ist das BSS außerstande, die durchgehende
Verzögerung zu
bestimmen. Andererseits kennt das SS, zumindest in der "Nichtbestätigungs"-Betriebsart, nicht
den genauen Zeitpunkt, zu dem ein LLC-Rahmen über die Funk-Luftschnittstelle übertragen
wird. Folglich ist das SS außerstande,
die durchgehende Verzögerung
zu bestimmen. In einem GPRS-System wird keine Information über die
durchgehende Verzögerung bereitgestellt.
Folglich ist es nicht möglich,
zu bestimmen, ob der GPRS-Trägerdienst
die vereinbarten Verzögerungsanforderungen
erfüllt.
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Ein
anderes Problem besteht darin, dass die bestehenden Systeme und
Ablaufplanungsmethoden außerstande
sind, die durchgehenden Verzögerungszeiten
durch ein GPRS-System zu steuern. Insbesondere kennt das SS nicht
die Funkverbindungsbedingungen der einzelnen Benutzer. Somit würde das
SS, selbst wenn es Information über
die Längen der
Warteschlangen im BSS hätte,
immer noch nicht wissen, wie lange es dauern würde, die Warteschlangen des
BSS zu leeren. Dieses Problem tritt auf, weil die Zeit, die nötig ist,
um Pakete von den Warteschlangen zu übertragen, von den Funkverbindungsbedingungen
für jeden
Benutzer abhängt,
der Pakete in den Warteschlangen hat.
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Ferner
kennt das SS normalerweise nicht genug Einzelheiten darüber, wie
die Ablaufplanung des BSS erfolgt. Folglich ist das SS außerstande,
den Zeitaufwand zu bestimmen, den ein übergebener LLC-Rahmen in den Warteschlangen
des BSS aufbringt, bevor er über
die Funk-Luftschnittstelle übertragen
wird. Daher ist das SS ähnlich
wie im Fall des BSS außerstande,
die durchgehende Verzögerung des
GPRS zu steuern.
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Noch
ein weiteres Problem besteht darin, dass die bestehenden Systeme
und Ablaufplanungsmethoden außerstande
sind, Fragen bezüglich
der Abwägung
zwischen der maximalen Bandbreitenausnutzung und der Priorität der Benutzer
zu behandeln. Man betrachte insbesondere die Situation, in der bestimmte
Benutzer mit hoher Priorität
schlechten Funkverbindungsbedingungen ausgesetzt sind, während sich
andere Benutzer mit niedriger Priorität eines hohen Durchsatzes pro
Funkverbindungsstrecke erfreuen. Das System muss mit der heiklen
Aufgabe fertigwerden, zwischen dem hohen Durchsatz (Benutzer mit
niedriger Priorität)
oder der Bereitstellung von Ressourcen für die Benutzer mit hoher Priorität zu wählen. Einerseits
wird durch Bereitstellung aller Ressourcen für die Benutzer mit niedriger
Priorität
und hohem Verbindungsstrecken-Durchsatz der Gesamtdurchsatz des
Systems maximiert. Andererseits stellt das System durch Bereitstellung
aller Ressourcen für
die Benutzer mit niedriger Priorität sicher, dass die hohen Prioritätsanforderungen
dieser Benutzer tatsächlich
verwirklicht werden. Jedoch wird diese Prioritätensetzung um den Preis eines
schlechten Durchsatzes im System verwirklicht. Somit ist zu erwarten,
dass Situationen wie diese in jedem Paketdaten-Funksystem häufig auftreten.
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In
bestehenden Datenkommunikationssystemen weiß das BSS zuwenig über die
QoS-Anforderungen,
um in den oben beschriebenen Situationen angemessene Ablaufplanungsentscheidungen
zu treffen. Hingegen weiß das
SS wenig oder gar nichts über
den Durchsatz pro Benutzer und ist sich der oben beschriebenen Konflikte
ebensowenig bewusst.
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Noch
ein weiteres Problem besteht darin, dass die bestehenden Systeme
und Ablaufplanungsmethoden zu Ablaufplanungskonflikten zwischen dem
BSS und dem SS führen.
Insbesondere führt das
SS mit der Information, die ihm zur Verfügung steht, die Ablaufplanung
normalerweise gemäß den QoS-Vereinbarungen
und den Ankunftszeiten der Dateneinheiten der Anwendungen durch.
Hingegen führt
das BSS die Ablaufplanung mit größerer Wahrscheinlichkeit
gemäß den verfügbaren Funkressourcen
und den Funkbedingungen durch, die für die unterschiedlichen Benutzer
bestehen. In Situationen, wo diese Ablaufplanungskriterien in Konflikt
geraten (zum Beispiel wie oben beschrieben), wird die Ablaufplanungsfunktion
des BSS wahrscheinlich den Absichten der Ablaufplanungsfunktion
des SS entgegenstehen. Folglich ist das Ergebnis dieser Konflikte ein
schlechtes QoS-Leistungsvermögen.
Somit treten diese Konflikte wahrscheinlich eher in Systemen auf,
wo der BSS-Teil
und der SS-Teil eines Systems durch unterschiedliche Hersteller
bereitgestellt werden.
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Es
folgt dann aus den oben beschriebenen Problemen, dass die bestehenden
Systeme und Ablaufplanungsmethoden außerstande sind, den Teilnehmern
ihre angeforderten QoS-Leistungsvermögen effizient bereitzustellen.
Folglich führt
dieser Nachteil der bestehenden Systeme und Ablaufplanungsmethoden
zu schlechtem Leistungsvermögen für Anwendungen
mit strengen Verzögerungsanforderungen,
zu verringertem Durchsatz und somit verringerter Kapazität aufgrund
von Anwendungen (zum Beispiel TCP/IP), die außerstande sind, die angemessene
QoS zu erlangen. Dieses Problem verursacht Übertragungswiederholungen auf
Anwendungsebene und begrenzte Möglichkeiten
in bezug darauf, Dienste mit niedrigen Kosten und hoher Verzögerung anbieten
zu können.
Jedoch löst
die vorliegende Erfindung diese Probleme, wie nachfolgend ausführlich beschrieben
wird.
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WO
9731501 betrifft ein qualitätsgesteuertes Sprachkanal-Auswahlverfahren
in einem zellularen Telefonsystem. In einer Basisstation werden
Signalstärkemessungen
durchgeführt,
und eingeführte
Störungen
werden bestimmt und an die Mobilfunk-Vermittlungsstelle gemeldet.
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EP 0804006 betrifft ein
Medienzugangs-Steuerungsprinzip für einen drahtlosen Zugang einem
ATM-Netzwerk, wobei Mittel auf Netzwerkparameter für die Ablaufplanung
des Austauschs von Dateninformation während aufeinanderfolgender
Zeitrahmen ansprechen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein System und Verfahren zur Ablaufplanung
von Paketübertragungen bereitgestellt,
wobei ein BSS für
die auf der Verbindungsstrecken-Effizienz beruhende Ablaufplanung von
LLC-Rahmen ablaufplanungsbezogene Information an ein SS übergibt,
die Information über
die Gesamtzahl von GPRS-Funkverbindungsstrecken in der Zelle und über die
Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer aufweist.
Folglich kann das SS die erforderliche Verbindungsstrecken-Ausnutzung
und somit die Übertragungszeit
für jedes
Datenpaket, das das SS zur Übertragung über die
Funkverbindungsstrecken übergibt,
bestimmen. Somit kann das SS alle durchgehenden QoS-Größen für jedes übertragene
Datenpaket steuern und auch, wie diese Größen durch die SS-Ablaufplanung
der LLC-Rahmen zur Übergabe
an das BSS beeinflusst werden. Auf diese Weise kann das SS vollständig steuern,
wie QoS-Vereinbarungen mit Benutzern erfüllt werden.
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Ein
wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass auf Systemebene QoS-bezogene Verbesserungen bereitgestellt werden,
wie etwa zum Beispiel erhöhte
Kapazität, verbesserter
Schutz für
Anwendungen mit strengeren Verzögerungsanforderungen,
bessere Möglichkeiten,
Dienste mit niedrigen Kosten und großer Verzögerung anbieten zu können, und
genauer gesteuerte Unterscheidung zwischen Benutzern.
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Ein
zweiter wichtiger technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass für
eine Mehrfachprotokoll-Systemstruktur alle Ablaufplanungsintelligenz
in einem Protokoll konzentriert wird (zum Beispiel dem LLC-Protokoll
in einem GPRS-System). Somit wird das Risiko eines Konflikts zwischen
Ablaufplanungsalgorithmen in unterschiedlichen Protokollschichten
verringert, was die Systemgestaltung wie auch die Integration von
Knoten von unterschiedlichen Herstellern vereinfacht.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ein
umfassenderes Verständnis
des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung ist unter
Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen möglich, wobei
diese folgendes zeigen:
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1 ist
eine Tabelle, die darstellt, wie ein Datenkommunikationssystem eine
optimale Ablaufplanung von IP-Paket-Übertragungen ermöglicht,
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild, das die optimale Ablaufplanung
von Dateneinheiten durch einen SS-Teil eines Funk-Datenkommunikationssystem
darstellt, der durch den BSS-Teil bereitgestellte Verbindungsstrecken-Effizienzinformation nutzt,
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3A ist
ein Flussdiagramm, das darstellt, wie eine auf der Verbindungsstrecken-Effizienz
beruhende Ablaufplanung in einem SS-Teil eines Funk-Datenkommunikationssystem
implementiert werden kann, gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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3B ist
ein Flussdiagramm, das darstellt, wie eine auf der Verbindungsstrecken-Effizienz
beruhende Ablaufplanung in einem BSS-Teil eines Funk-Datenkommunikationssystem
implementiert werden kann, gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden durch Bezugnahme
auf 1–3B der
Zeichnungen besser verstanden, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche
und einander entsprechende Teile der verschiedenen Zeichnungen verwendet
werden.
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Hauptsächlich wird
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein System und Verfahren zur Ablaufplanung von
Paketübertragungen
bereitgestellt, wobei ein BSS für
die auf der Verbindungsstrecken-Effizienz beruhende Ablaufplanung
von LLC-Rahmen ablaufplanungsbezogene Information an ein SS übergibt, die
Information über
(1) die Gesamtzahl von Funkverbindungsstrecken in der Zelle und
(2) über
die Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer aufweist.
Folglich kann das SS die erforderliche Verbindungsstrecken-Ausnutzung
und hieraus die Übertragungszeit
für jedes
Datenpaket, das das SS zur Übertragung über die
Funkverbindungsstrecken übergibt,
bestimmen. Somit kann das SS alle durchgehenden QoS-Größen für jedes übertragene
Datenpaket steuern und auch, wie diese Größen durch die SS-Ablaufplanung
der LLC-Rahmen zur Übergabe an
das BSS beeinflusst werden. Auf diese Weise kann das SS vollständig steuern,
wie QoS-Vereinbarungen mit Benutzern erfüllt werden.
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Insbesondere
unterscheidet sich, wie oben beschrieben, die Bandbreite pro Verbindungsstrecke von
Benutzer zu Benutzer, weil sich die Funkverbindungsstrecken-Bedingungen
von Benutzer zu Benutzer unterscheiden. In erster Linie sind es
diese Unterschiede, die ein hohes QoS-Leistungsvermögen in einem
Paketdaten-Funksystem, wie etwa einem GPRS-System, so schwer erreichbar
machen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das SS, da es mit Zugriff auf die Bandbreite pro
Verbindungsstrecke für
jeden Benutzer versehen ist, die folgenden Bestimmungen vornehmen.
Erstens kann das SS bestimmen, dass, wenn es 2,4 kByte Daten zur Übertragung
an Benutzer A übergibt
und das SS aus der Information über
die Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer weiß, dass
die Verbindungsstrecken-Effizienz für Benutzer A 1,6 kByte/Sekunde/Verbindungsstrecke
beträgt,
die Übertragung
an Benutzer A Ressourcen erfordert, die 1,5 Sekunden der Verbindungsstrecken-Nutzung
entsprechen. Im BSS kann diese Verbindungsstrecken-Nutzungszeit entweder
durch eine Übertragung
von 1,5 Sekunden auf einer Verbindungsstrecke oder eine Übertragung von
0,75 Sekunden auf zwei Verbindungsstrecken verwirklicht werden (wenn
man annimmt, dass die Mobilstation von Benutzer A Mehrschlitzfähigkeit hat).
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist das SS mit Information über die Gesamtzahl von Verbindungen
in einer Zelle versehen. Folglich kann das SS die Gesamtzeit berechnen,
die nötig
ist, um eine beliebige Kombination von LLC-Rahmen zu übertragen, die
das SS an das BSS zu übergeben
wünscht.
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Bei
einem BSS, das auf der Grundlage eines Durchrückprinzips (First-in-first-out-Prinzip)
arbeitet, und bei kurzen Warteschlangen in diesem BSS kennt das
SS genau das Zeitintervall zwischen der Übergabe eines LLC-Rahmens an
das BSS und dem Abschluss der Übertragung
des LLC-Rahmens über
die Funk-Luftschnittstelle.
Es kann angenommen werden, dass die Datenverarbeitungs-Verzögerungszeit in
der Mobilstation (die Zeit, die nötig ist, um die LLC-Rahmen
zu Anwendungs-Dateneinheiten zusammenzustellen und die Dateneinheiten
an eine Anwendung weiterzuleiten) kurz ist. Folglich kann das SS
für jede
Kombination von LLC-Rahmen, die das SS an das BBS übergibt,
unter Verwendung der Information über die Gesamtzahl der Funkverbindungen
in der Zelle und über
die Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer die Gesamtzeit
berechnen, die eine Anwendungs-Dateneinheit im Paketdaten-Funksystem
verbringt. Mit dieser Information über die verstrichene Zeit und
Information über
die mit den verschiedenen Benutzern getroffenen QoS-Vereinbarungen
kann das SS die Übergabe
von LLC-Rahmen an das BSS so zeitlich planen, dass die vereinbarten
QoS-Anforderungen am besten erfüllt werden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann dieses vorteilhafte Verfahren in jedem beliebigen
Paketdaten-Funksystem angewendet werden.
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In
einem GPRS-System hat das BSS Information über Übertragungswiederholungen,
verwendete Codierungen, Störungen
und andere funkverbindungsstreckenbezogene Größen. Folglich kann das BSS
diese Information nutzen, um die Information über die Bandbreite pro Verbindungsstrecke
pro Benutzer an das SS weiterzugeben. Eine Möglichkeit, die Bandbreite pro
Verbindungsstrecke für
einen Benutzer zu schätzen,
besteht darin, eine Messung (zum Beispiel unter Verwendung der Kenntnis
der Codierung und des Anteils der Funkblöcke, die erneut übertragen
werden müssen)
durchzuführen.
Für einen
neuen Benutzer im System oder für
einen Benutzer, dessen Messergebnisse als zu alt betrachtet werden,
um noch gültig
zu sein, kann ein Zellen-Mittelwert verwendet werden, bis zuverlässigere
Messergebnisse erlangt werden können.
In einem GPRS-System ist die Gesamtzahl der Funkverbindungen in
einer Zelle einfach die Anzahl physischen Basiskanäle, die
dem GPRS im Moment zugeteilt sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung übermittelt das
BSS diese Information an das SS.
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In
einem arbeitenden Datenkommunikationssystem hängt die Genauigkeit des Schätzwerts für die Information über die
Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer vom jeweils
verwendeten Verfahren ab. Da jeder solche Schätzwert Unsicherheiten aufweist,
ist die Bandbreiteninformation offenkundig nicht genau. Folglich
kann die Last, die durch das SS an das BSS übergeben wird, etwas weniger
oder etwas mehr als die vom SS erwarteten Ressourcen nutzen. Diese
Unsicherheit führt
zu einem Problem mit Warteschlangen von schwankender Länge im BSS.
Jedoch können
diese Schwankungen auf eine Anzahl von Arten gesteuert werden. Zum
Beispiel kann das BSS gewichtete Werte für die Information über die
Bandbreite pro Verbindungsstrecke für jeden Benutzer melden. Somit
kann, indem das BSS veranlasst wird, etwas kleinere Werte als die
gemessenen zu melden, das SS "ausgetrickst" und dazu gebracht
werden, Daten mit einer niedrigeren Rate zu übergeben, was die Warteschlangenlänge in der
Zelle verringert. Ebenso können
die Warteschlangenlänge
in der Zelle vergrößert werden,
indem das BSS veranlasst die etwas größere Bandbreite als die gemessenen
an das SS zu melden. Ein anderes Verfahren, um die Warteschlangen
zu steuern, besteht darin, dass das BSS veranlasst wird, Information über die
Länge der
Warteschlange in jeder Zelle an das SS zu melden.
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1 ist
eine Tabelle, die darstellt, wie ein Datenkommunikationssystem eine
optimale Ablaufplanung von IP-Paket-Übertragungen erlangen kann, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, obwohl die folgende
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform auf ein GPRS-System
angewendet wird, dass die Erfindung nicht solchermaßen begrenzt
ist und die Ablaufplanung in jedem beliebigen drahtlosen Paketdatensystem
aufweisen kann, wie zum Beispiel ein Zellulares Digitales Paketdaten-(CDPD-)System,
GPRS in einem GSM oder in einem Digitalen Fortgeschrittenen Mobiltelefonsystem (D-AMPS),
Paketdatendienst in einem IS-95-System, Paketdaten-Funksatellitenkommunikationssysteme und
in Entwicklung befindliche Breitbandsysteme wie etwa Breitband-Codemultiplex-Mehrfachzugriff-(W-CDMA-)Systeme.
Außerdem
können
sich die spezifischen Einzelheiten (zum Beispiel Anzahl der Benutzer,
Anzahl der Kanäle,
Verzögerungsanforderungen,
Ankunftszeiten, Parameter des Durchsatzes pro Benutzer und verwendete
Parameterwerte und so weiter) von der beispielhaften Beschreibung
unterscheiden.
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Mit
Bezug auf die in 1 gezeigte Tabelle kann das
folgende Szenarium betrachtet werden. Im betreffenden SS gibt es
Dateneinheiten (zum Beispiel IP-Pakete), die zur Übertragung
an vier verschiedene Benutzer (mit U1, U2 und so weiter bezeichnete
Dateneinheiten für
jeweilige Benutzer 1, 2 und so weiter) zeitlich geplant werden müssen. Jede dieser
Dateneinheiten hat ihr eigenes Zeitintervall für eine Zeitüberschreitung (TO), und jeder
Benutzer hat eine relative Priorität (zum Beispiel ist Priorität 1 die höchste Benutzerpriorität und Priorität 2 ist
die niedrigste Benutzerpriorität).
Bei dieser der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform versucht das Datenkommunikationssystem,
die folgende Ablaufplanungsstrategie zu implementieren: (1) Versuche,
so viele QoS-Vereinbarungen mit der Priorität 1 zu erfüllen wie möglich; und (2) versuche unter
Berücksichtigung
der durch Strategie (1) auferlegten Zwänge, so viele QoS-Vereinbarungen
mit der Priorität
2 zu erfüllen
wie möglich.
Somit bedeutet "eine
QoS-Vereinbarung erfüllen" für die Zwecke
dieser Darstellung, ein IP-Paket zuzustellen, bevor eine jeweilige
TO erfolgt.
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Bei
dieser der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform wird angenommen,
dass die Anzahl der GPRS-Kanäle
in der Zelle 4 beträgt
und alle Mobilstationen der Benutzer Vier-Schlitz-Fähigkeit haben
(das heißt,
jede Mobilstation eines Benutzers kann bis zu vier Kanäle gleichzeitig
verwenden). Es wird ferner angenommen, die Mobilstationen der Benutzer
in unterschiedlichen Funkumgebungen arbeiten (zum Beispiel verwendet
jede Mobilstation normalerweise unterschiedliche Fehlerschutzcodierungen
und Übertragungswiederholungsraten).
Folglich hat jede Mobilstation eines Benutzers einen einzigartigen
Durchsatz (T) pro Funkverbindung (wie in der in 1 gezeigten
Tabelle dargestellt).
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Ferner
wird bei dieser der Veranschaulichung dienenden Ausführungsform
angenommen, dass es 0,2 Sekunden dauert, die Warteschlange der Dateneinheiten
(Q), die schon im BSS-Teil gespeichert sind, durch Übertragen
der Dateneinheiten an die jeweiligen Mobilstationen der Benutzer
zu leeren. Obendrein wird kein spezifischer Ablaufplanungsalgorithmus
vorausgesetzt, weil das optimale Ablaufplanungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht an irgendeinen bestimmten Ablaufplanungsalgorithmus
gebunden sein muss.
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2 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild, das die optimale Ablaufplanung
von Dateneinheiten durch einen SS-Teil eines Funk-Datenkommunikationssystem
(10) darstellt, der durch den BSS-Teil bereitgestellte
Verbindungsstrecken-Effizienzinformation nutzt, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Zuerst berechnet das SS 12 die
Zeit, die nötig
sein dürfte,
um die Datenlast jedes Benutzers zu senden (zum Beispiel Größe des IP-Pakets),
wenn der jeweilige Benutzer vollen Zugriff auf alle vier Kanäle hat.
Dieses Zeitintervall (gezeigt in 1) beträgt t = L/nT,
wobei L die Datenlast jedes Benutzers ist (zum Beispiel Größe des IP-Pakets),
T der Kanal-Durchsatz ist und n die Anzahl der verwendeten Kanäle ist (n
= 4 in diesem Beispiel). Wie durch 1 dargestellt,
würde auch
dann, wenn Benutzer 1 sofort auf alle verfügbaren Kanäle zugreifen könnte, die
QoS-Vereinbarung mit Benutzer 1 nicht erfüllt werden. Außerdem impliziert
eine Ablaufplanung, bei der die Daten von Benutzer 1 zuerst übergeben
werden, dass die QoS-Vereinbarung keines anderen Benutzers erfüllt würde, weil
zu dem Zeitpunkt, wo die Übertragung
der Daten von Benutzer 1 abgeschlossen ist (nach 2,0 Sekunden),
die Übergaben
der IP-Pakete der anderen drei Benutzer ebenfalls eine Zeitüberschreitung
ausgelöst
haben. Sobald das SS 12 bei diesem Szenarium bestimmt, dass
die Übergabe
und Übertragung
für Benutzer
1 nicht erfolgreich abgeschlossen werden können, versucht das SS 12,
die Übergaben
der übrigen
Benutzer (zum Beispiel U2, U3, U4) zeitlich so zu planen, dass die
QoS-Vereinbarungen dieser Benutzer erfüllt werden.
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Das
System 10 kann diese optimale Ablaufplanung durchführen, indem
es zuerst (nach dem Durchrückprinzip über den
BSS-Teil 14 und die Basis-Sendeempfängerstation oder BTS) das jeweilige IP-Paket an Benutzer
2 überträgt, dann
das jeweilige IP-Paket an Benutzer 3 und dann das jeweilige IP-Paket
an Benutzer 4, wie durch 2 dargestellt. Mit der oben
beschriebenen Ablaufplanungsanordnung und einer Warteschlangenlänge im BSS 14,
die 0,2 Sekunden Übertragungszeit
entspricht, werden diese Übertragungen
der IP-Pakete U2, U3 und U4 nach t = 1,0 s, t = 1,5 s bzw. t = 2,0
s abgeschlossen.
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3A und 3B sind
miteinander zusammenhängende
Flussdiagramme, die darstellen, wie eine auf der Verbindungsstrecken-Effizienz
beruhende Ablaufplanung impementiert werden kann, gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf 2 und 3A (für den SS-Teil)
beginnt das hier gezeigte vorliegende beispielhafte Verfahren damit,
dass überlegt
wird, welche Daten während
der nächsten
TL = 1,5 Sekunden an Benutzer übertragen
werden. Aus Systemdaten weiß das
SS 12, dass die Anzahl der Kanäle (n) gleich 4 ist, die Warteschlangenlänge (Q)
gleich 0,2 Sekunden ist und dass der Durchsatz pro Benutzer so ist,
wie in der Tabelle von 1 dargestellt. Es wird angenommen,
dass Qmax = 220 ms, wobei Qmax der
Wert von Q ist, bei dem das SS 12 die Warteschlangenlänge zu verringern
beginnt, indem an die betreffende Zelle eine verringerte Last übergeben wird.
Es wird außerdem
angenommen, dass Qmin = 180 ms, wobei Qmin der Wert von Q ist, bei dem das SS die
Warteschlangenlänge
zu erhöhen
beginnt, indem an die betreffende Zelle eine erhöhte Last übergeben wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden die Schritte im Verfahren 100 periodisch mit einer
Zeitperiode von TL durchgeführt, wobei
TL die Schleifenzeit für das Verfahren ist (das heißt, die
Schritte werden einmal in jeder TL-Periode
durchgeführt).
Ein vernünftiger
Wert für
TL liegt zwischen 50 ms und 2,0 Sekunden.
Das beispielhafte SS-Verfahren beginnt in Schritt 104,
wo das SS 12 die folgende auf die Verbindungsstrecken-Effizienz
bezogene Information aus der Zellen-Datenbasis (CDB) 106 liest
(für die betrachtete
Zelle): (1) für
jeden Benutzer in der Zelle: T oder der Durchsatz pro Verbindungsstrecke
für den Benutzer
(das heißt
der Durchsatz, den ein Benutzer haben würde, wenn er die volle Kapazität einer Verbindungsstrecke
in der Zelle verwendete); (2) die Gesamtzahl der Funkverbindungsstrecken
in der Zelle; und (3) die Länge
der BSS-Warteschlange (Q) in der Zelle. Die CDB 106 wird
vom BSS 14 durch ein herkömmliches Verfahren übermittelt,
wie nachfolgend ausführlich
beschrieben wird.
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In
Schritt 108 bestimmt das SS 12, ob die Länge der
BSS-Warteschlange in der Zelle größer als der Wert Qmax ist.
Wenn ja, setzt das SS in Schritt 110 den Parameter f (Ausgleichsfaktor)
gleich 0,9. Wenn nicht, bestimmt das SS 12 in Schritt 112,
ob die Länge
der BSS-Warteschlange in der Zelle kleiner als der Wert Qmin ist. Wenn ja, setzt das SS 12 in Schritt 114 den
Parameter f gleich 1,1. Andernfalls setzt das SS in Schritt 116 den
Parameter f gleich 1,0.
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In
Schritt 116 bestimmt das SS, ob die Gesamt-Übertragungszeit
für alle
im SS gespeicherten Dateneinheiten, die an Benutzer in der betreffenden Zelle
adressiert sind, kleiner als der Wert f·TL ist. Wenn
ja, plant das SS 12 in Schritt 120 unter Berücksichtigung
der Information von der CDB 106, der QoS-Vereinbarungen
der Benutzer und der GPRS-Ankunftszeiten der Dateneinheiten aus
Schritt 118, alle Dateneinheiten aus Schritt 118 zeitlich
auf eine Weise, die die Anzahl der erfüllten QoS-Vereinbarungen maximiert.
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Andernfalls
wählt das
SS 12 in Schritt 122 unter Berücksichtigung der Information
in der CDB 106, der QoS-Vereinbarungen der Benutzer und
der GPRS-Ankunftszeiten der Dateneinheiten aus Schritt 118 eine
Teilmenge der Dateneinheiten aus Schritt 118 aus und verplant
sie zeitlich derartig, dass die Anzahl der erfüllten QoS-Vereinbarungen maximiert wird.
Zu diesem Zeitpunkt hat das SS 12 Zugriff auf alle in 1 gezeigte
Information. Unter Verwendung der oben beschriebenen Überlegung
oder unter ausdrücklicher
Berücksichtigung
des Ergebnisses der 4! = 24 möglichen
Ablaufplanungen kann das SS 12 herleiten, dass die optimale
Ablaufplanung so ist, wie gleich oben beschrieben wurde. Folglich
kann das SS 12 selbst zeitlich so planen, dass es zuerst das
2-kByte-IP-Paket an Benutzer 2 übergibt,
dann das 4-kByte-IP-Paket
an Benutzer 3 und dann das 1,2-kByte-IP-Paket an Benutzer 4. Diese
Ablaufplanung führt
zu einer Gesamtmenge von 7,2 kByte Daten, was gemäß der in 1 gezeigten
Information 1,5 Sekunden benötigt,
um über
die Funk-Luftschnittstelle übertragen
zu werden. Somit übergibt
das SS in Schritt 124 die zeitlich geplanten LLC-Paketdateneinheiten
(PDUs) an das BSS 14 zur Übertragung an die jeweiligen
Benutzer über
das BTS (nicht gezeigt).
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Das
oben beschriebene Verfahren für
den SS-Teil (12) sorgt dafür, dass das SS an das BSS 14 in
jeder Periode TL eine Last (LLC-PDUs) zur
weiteren Zustellung an die Mobilstationen der Benutzer, die nachfolgend
mit Bezug auf 3B beschrieben wird, übergibt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist unter Berücksichtigung
der Verbindungsstrecken-Effizienz für jeden Benutzer und der Gesamtzahl
der Funkverbindungsstrecken in einer Zelle der Lastumfang, den das
SS 12 an das BSS 14 übergibt, der Schätzwert des
SS dafür,
was möglicherweise
während
einer Zeitperiode TL übertragen werden kann (Schritte 120, 122).
Um sich vor zu langen Warteschlangen von Dateneinheiten im BSS 14 aufgrund durch
das SS 12 vorgenommener ungenauer Schätzungen zu schützen, prüft das SS 12 auf
lange Warteschlangen und reguliert die Last, um solche Warteschlangen
bei Bedarf zu verkürzen
(Schritte 108, 110). Das SS 12 führt ähnliche
Schritte durch, wenn es bestimmt, dass es zu kurze Warteschlangen
für die
an das BSS 14 zu übergebenden
Dateneinheiten gibt, indem es die Last reguliert, um solche Warteschlangen
bei Bedarf zu verlängern
(Schritte 112, 114).
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Mit
Bezug auf 2 und 3B für den beispielhaften
BSS-Teil der vorliegenden Erfindung implementiert das BSS 14 die
folgenden Schritte vorzugsweise in einer kontinuierlichen Schleife
und aktualisiert dadurch regelmäßig die
CDB 106 zur Nutzung durch das SS 12. Somit beginnt
das beispielhafte Verfahren (200) in Schritt 202,
in dem das BSS 14 bestimmt, ob in der Warteschlange für die betreffende
Zelle überhaupt
Dateneinheiten (PDUs) sind. Wenn ja, überträgt das BSS 14 (über das
BTS) eine Menge von Funkblöcken,
die zu einer oder mehreren LLC-PDUs gehören. In Schritt 206 misst
das BSS 14 für
jeden in Schritt 204 aktiven Benutzer den Durchsatz pro
Funkverbindungsstrecke T (unter Verwendung einer herkömmlichen
Meßmethode).
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Zurück in Schritt 202,
wenn das BSS 14 bestimmt, dass in der Warteschlange für die betreffende Zelle
keine Dateneinheiten sind, schreitet das Verfahren direkt zu Schritt 208 weiter.
In Schritt 210 übermittelt
das BSS 14, wie oben mit Bezug auf das SS-Verfahren 100 beschrieben,
die relevante auf die Verbindungsstrecken-Effizienz bezogene Information an
die CDB 106 (um periodisch an das SS 12 gesendet
zu werden). Die Information weist (für die betrachtete Zelle) für jeden
Benutzer in der Zelle folgendes auf T, was der Durchsatz pro Verbindungsstrecke für den Benutzer
ist (das heißt
der Durchsatz, den ein Benutzer hätte, wenn er die volle Kapazität einer
Verbindungsstrecke in der Zelle verwendete), die Gesamtzahl der
Funkverbindungsstrecken in der Zelle und die Länge der BSS-Warteschlange (Q)
in der Zelle.
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Somit
werden bei dieser beispielhaften Ausführungsform im BSS 14 die
Daten auf der Grundlage eines Durchrückprinzips übertragen. Nachdem die 0,2
Sekunden entsprechenden Daten gesendet worden sind, die bereits
im BSS 14 eingereiht wurden, nutzt das BSS 14 weiterhin
alle vier Kanäle,
um die jeweiligen Daten an Benutzer 2 (U2) zu übertragen. Nachdem diese Übertragung
abgeschlossen worden ist (das heißt bei t = 1,0 s), überträgt das BSS 14 als nächstes die
jeweiligen Daten an Benutzer 3 (U3) und überträgt dann die jeweiligen Daten
an Benutzer 4 (U4). Während
dieser Datenübertragungen
misst das BSS 14 den tatsächlichen Durchsatz (gegeben durch
die Anzahl der Übertragungswiederholungen und
die verwendete Codierung) und aktualisiert dann die CDB 106 gemäß Schritt 210 in 3B.
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Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform des
Verfahrens und des Systems der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung beschrieben
worden ist, ist verständlich,
dass die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche abgewandelt
und verändert
werden kann.