DE60034654T2

DE60034654T2 - System und Verfahren zur Adaption und Verwaltung von IP Dienstqualität

Info

Publication number: DE60034654T2
Application number: DE60034654T
Authority: DE
Inventors: Xiao-Dong Ottawa Li; Jiandong Nepean Ontario Zhuang
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: EP1113628A2; EP1113628B1; EP1113628A3; AU6959400A; US6654363B1; CA2324064A1; DE60034654D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zur Lieferung einer Dienstgüte (QoS) auf IP-Paket-basierten Verbindungen über eine drahtlose Verbindungsstrecke.
Hintergrund der Erfindung
Das Internet entwickelt sich, um eine Dienstgüte zusätzlich zu den vorhandenen Dienste besten Bemühens zu unterstützen. Zwei Dienste-Grundstrukturen werden von der Internet Engineering Task Force (IETG) entwickelt, um Garantien für eine Dienstgüte in IP-(Internet-Protokoll-)Netzwerken bereitzustellen. Diese sind das Integrierte-Dienste-(IntServ-)Modell und das Differenzierte-Dienste-(DiffServ-)Modell.
Das IntServ-Modell beruht auf einer Ressourcen-Reservierung auf einer Grundlage pro Datenfluss oder Datenflussgruppe, um Anwendungen zu unterstützen, die eine begrenzte Verzögerung und Bandbreite erfordern. Dieses Modell verwendet das Ressourcen-Reservierungs-Protokoll (RSVP) um Pfade auszubilden und um Ressourcen für einen Paket-Datenfluss auf einer Ende-zu-Ende-Basis zu reservieren, wodurch harte QoS-Garantien bereitgestellt werden.
Das DiffServ-Modell wurde zur Implementierung einer skalierbaren Dienste-Unterscheidung in dem Internet vorgeschlagen. Es klassifiziert und markiert IP-Pakete durch das Setzen des DS/TOS-Feldes in dem IP-Kopffeld jedes Paketes, um diesen ein bestimmtes Weiterleitungs-Verhalten pro Hop (Sprungabschnitt) auf Knoten entlang ihrer Pfade zu geben. Die Pakete werden auf der Grundlage ihrer Markierungen weitergeleitet, das heißt, ihnen wird ein bestimmtes Verhalten pro Hop (PHB) gegeben. Die allgemeinen QoS-Parameter, die für Paketdaten berücksichtigt werden, sind Verzögerung, Paket-Fehlerrate und Daten-Rate. In dem DiffServ-Modell können diese Parameter implizit durch die Werte des DS-Feldes ausgedruckt werden.
Während drahtlose Netzwerke und insbesondere CDMA-Netzwerke entwickelt werden, um IP-Fähigkeiten zu unterstützen, erfordern sie einen effektiven Mechanismus zur Übertragung einer QoS-Signalisierung über die Funkstrecke. Es würde vorteilhaft sein, wenn drahtlose Netzwerke eine Ende-zu-Ende-QoS-Signalisierung unterstützen könnten, wie sie für drahtgebundene IP-Netzwerke übernommen wurde. Obwohl ein effektiver QoS-Signalisierungsmechanismus bereits bekannt ist, gilt dies nicht für einen QoS-Lieferungs-Mechanismus zur Bereitstellung der vereinbarten QoS. Weiterhin wird kein Mechanismus zur Lieferung einer DiffServ-Funktionalität bereitgestellt.
Um eine Ende-zu-Ende-QoS-Verwaltung zu schaffen, sollten drahtlose Netzwerke unter Einschluss von mobilen zellularen Netzwerken und festen drahtlosen Netzwerken die IP-Dienstemodelle für die QoS-Verwaltung unterstützen, wie z.B. die IntServ- und/oder DiffServ-Modelle. Vorhandene drahtlose Netzwerke, wie z.B. die zellularen IS-136-TNA-Netzwerke oder die zellularen IS-95CDMA-Netzwerke ergeben jedoch keine IP-Dienste mit garantierten Dienstequalitäten für Kunden. Entsprechend ist die IP-QoS-Verwaltung ein neues Problem für die drahtlose Technik. Es gibt keine ohne weiteres verfügbaren Lösungen zur technischen Unterstützung einer derartigen Funktion in drahtlosen Netzwerken.
Bei den derzeitigen cdma2000-Normen fügt die MUX- und QoS-Teilschicht eine 3-Bit-SRID zu dem Datenrahmen hinzu, der über die Funkstrecke auszusenden ist. An dem Empfangsende muss die MUX- und QoS-Funktion die SRID zurückgewinnen und auf deren Grundlage festzustellen, welche passende Diensteinstanz das Datenpaket behandelt. Die SRID wird von einem mobilen Endgerät während des Registrierungsprozesses erzeugt und an die Basisstation über eine Ursprungs-Mitteilung übertragen. Die Basisstation oder das Netzwerk ist nicht für die Schaffung der SRID verantwortlich. Die vorhandene SRID steht nicht zu irgendeiner bestimmten IP-QoS-Anforderung oder einem Datenfluss in Beziehung. Dies ergibt sich daraus, dass die vorhandene Verbindungsschicht in cdma2000-Normen nicht IP-bewusst ist. Als Ergebnis können die vorhandenen cdma2000-Normen keine spezifische IP-QoS für einen spezifischen Datenfluss unterstützen.
Eine weitere IP-QoS-Technik ist in der Veröffentlichung von Baiocchi et al. „A MAC PROTOCOL SUPPORTING IP WITH QoS GUARANTEES IN A WIRELESS LOCAL LOOP", 1999 IEEE Global Telecommunications Conference, Globecom '99, 2.-5. Dezember 1999, New York, NY: IEEE, US, Band 2, Seiten 1162-1166 beschrieben. Ein MAC-Protokoll, das zur Unterstützung von QoS-Anforderungen für eine Anzahl von Diensteklassen geeignet ist, wird bereitgestellt. Die von Baiocchi et al. beschriebenen Techniken ergeben jedoch keine Koordination der Ressourcen-Zuteilung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wird eine QoS-Verwaltungsarchitektur geschaffen, die es drahtlosen Netzwerken ermöglicht, Funkressourcen für jede Diensteanforderung in effizienterer Weise zuzuteilen, als dies der Fall sein würde, wenn eine IP-QoS-Verwaltung nicht verfügbar ist. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass die IP-QoS-Verwaltung es drahtlosen Netzwerken ermöglicht, eine Ressourcen-Zuteilung auf Anforderung auszuführen, um QoS-Anforderungen von IP-Diensten zu erfüllen. Aus der Perspektive der Frequenzspektrum-Effizienz ist dies sehr nützlich für drahtlose Netzwerke, weil die Funkfrequenzspektrum-Ressourcen von ihrer Art her knapp sind und der hauptsächliche beschränkende Faktor für Netzwerk-Kapazitäten sind.
Die vorliegende Erfindung ergibt IP-QoS-Verwaltungslösungen in drahtlosen Netzwerken und stellt zu diesem Zweck eine IP-QoS-Anpassungs-Teilschicht und Architektur gemäß den Ansprüchen 15 bzw. 1 für die IP-QoS-Verwaltung bereit.
Die Erfindung ergibt einen IP-QoS-Verwaltungsmechanismus für moderne drahtlose Netzwerke, um die Zustellung der IP-Dienste mit der erforderlichen Qualität über die Netzwerke an Kunden zu garantieren. Um eine IP-QoS-Verwaltung in drahtlosen Netzwerken zu verwirklichen, ergibt die Erfindung eine geschichtete QoS-Verwaltungsarchitektur, die die QoS-Kontrolle über den gesamten Kommunikations-Protokollstapel eines drahtlosen Netzwerkes ausführt. Die Architektur besteht aus zwei Ebenen der IP-QoS-Verwaltung mit einer Anpassungsschnittstelle zwischen diesen. Diese unterschiedlichen Funktions- und Anpassungs-Ebenen werden von oben nach unten als QoS-Verwaltung der oberen Schicht (ULQM), IP-QoS-Anpassung (IQA) und QoS-Verwaltung der unteren Schicht (LLQM) bezeichnet.
Die ULQM ist für die IP-QoS-Verwaltung in den oberen Schichten eines drahtlosen Netzwerkes für eine Ende-zu-Ende-QoS-Lieferung verantwortlich. Im Gegensatz hierzu übernimmt die LLQM die Aufgabe der Verwaltung der IP-QoS in der Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht des Netzwerkes. Um die LLQM von der Last abzuschirmen, die durch die Erfüllung von Anwendungs-Einzelheiten von den oberen Schichten hervorgerufen wird, spielt die IQA eine Rolle beim Puffern und Anpassung des QoS-Signalisierungs-Datenflusses von den oberen Schichten, um diesen daran zu hindern, direkt in die LLQM ohne Anpassung einzutreten. Daher ermöglicht es die IQA der ULQM und der LLQM, unabhängig voneinander zu arbeiten. Zusätzlich zu dieser Funktionalität ergibt die IQA außerdem eine Verbindung zwischen der LLQM und der ULQM in Form eines QoS-Zustellungspfades von den oberen Schichten zur Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht des Netzwerkes, um in gleichförmiger Weise einen IP-QoS-Verwaltungs-Datenfluss über eine drahtlose Verbindungsstrecke zu schaffen.
Die IQA-Teilschicht enthält zwei Einheiten. Die eine wird als die IP-QoS-Anpassungs-Steuerfunktion (IQACF) bezeichnet, die sich in der Steuerebene des Kommunikations-Protokollstapels befindet, und die andere wird als die IQA-Einheit (IQAE) bezeichnet, die sich in der Datenebene des Stapels befindet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung in ein drahtloses cdma2000-System eingefügt, um eine IP-QoS-Verwaltung auszuführen, so dass das drahtlose cdam2000-System IP-Dienste mit der erforderlichen QoS an ihre Kunden liefern kann. Vorzugsweise wird die IQA als eine Teilschicht zwischen den oberen Schichten und der Verbindungsschicht des Systems eingefügt. In dem cdma2000-Kontext ergibt die Erfindung einen Mechanismus, der der Verbindungsschicht die IP-QoS-Anforderung dadurch bewusst macht, dass eine IQA-Teilschicht eingefügt wird, und eine Umsetzungsfunktion verwendet wird, um eine SRID auf der Grundlage der IP-QoS-Parameter und Endpunkte zu erzeugen. Auf diese Weise kann die gewünschte QoS durch die Verbindungsschicht und die physikalische Schicht über die SRID – logischer Kanal – physikalischer Kanal-Zuordnung unterstützt werden.
In einem cdma2000-System kann die ULQM unter Verwendung der TCP/UDP/IP-Teilschicht in den oberen Schichten des Systems implementiert werden. Allgemeiner gesagt wird vorzugsweise eine Standardlösung für die Realisierung der ULQM verwendet.
Wie für die LLQM sind jedoch keine klar verfügbaren Lösungen durch die derzeitige cdma2000-Norm spezifiziert. Obwohl eine vollständige LLQM-Realisierung sich auf alle Gesichtspunkte der Verbindungsschicht, unter Einschluss des LAC-Sendewiederholungs-Protokolls, der Anforderungs-Zulassungskontrolle, der dynamischen Ressourcen-Zuteilung, der Übergabeverwaltung, der LAC- und MAC-Signalisierung und der Umsetzung der logischen Ressourcen auf eine physikalische Ressource beziehen sollte, liegt eine derartige Lösung jenseits des Schutzumfanges dieser Erfindung. Diese Einzelheiten können ohne weiteres von einem Fachmann ausgearbeitet werden. Vielmehr ergibt die Erfindung eine Lösung hoher Ebene für das Problem und ergibt eine Vorgehensweise zur konzeptionellen Implementierung der LLQM in der Verbindungsschicht eines cdma2000-Systems.
Mit der IQA-Teilschicht und den Ideen und Vorgehensweisen, die von der Erfindung vorgesehen sind, um die ULQM und die LLQM in den oberen Schichten und der Verbindungsschicht eines cdma2000-Systems zu implementieren, kann die gesamte QoS-Verwaltung des Netzwerkes in effektiver Weise unterstützt werden. In vorteilhafter Weise garantiert sie Ende-zu-Ende-QoS für bereitgestellte IP-Dienste über das Netzwerk hinweg. Weiterhin ermöglicht sie es, dass eine Ressourcen-Nutzung eines cdma2000-Systems effizienter ist, als dies der Fall sein würde, wenn die IP-QoS-Verwaltung nicht verfügbar ist. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, dass das System in der Lage ist, seine Ressourcen auf Anforderung durch QoS-Anforderungen von IP-Diensten zuzuteilen. Dies bedeutet, dass das System irgendeine zu geringe Bereitstellung von Ressourcen vermeiden kann und wirtschaftlicher arbeiten kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine IP-QoS-Verwaltungsarchitektur zur Lieferung einer IP-QoS in drahtlosen Netzwerken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Ansicht höherer Ebene ist, die zeigt, wie Pakete in der Architektur nach 1 verarbeitet werden;
3 eine ausführliche drahtlose IP-QoS-Verwaltungs-Schichtungs-Struktur zur Implementierung der Architektur nach 1 in cdma2000-Netzwerken ist;
4 ein Blockschaltbild der internen Struktur der IP-QoS-Anpassungs-Einheit in der IQA-Teilschicht nach 3 ist;
5 ein Blockschaltbild der internen Struktur der IP-QoS-Anpassungs-Steuerfunktion in der IQA-Teilschicht nach 3 ist;
6 ein Ablaufdiagramm der Betriebsweise der gesamten IP-QoS-Anpassungs-Teilschicht nach 3 ist;
7 ein Ablaufdiagramm des QoS-Verwaltungs-Lieferungsprozesses und Pfades ist, das die Verwendung der Datenstrukturen zeigt; und
8 ein Beispiel einer QoS-Verwaltungs-Implementierung unter Verwendung der Erfindung ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Ausführungsform der Erfindung ergibt einen IP-QoS-Verwaltungsmechanismus für moderne drahtlose Netzwerke, um die Zustellung von IP-Diensten mit der erforderlichen QoS über die Netzwerke am Kunden zu garantieren. Um dies zu verwirklichen sieht eine Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 eine geschichtete Struktur für die Lieferung von IP-QoS-Diensten über eine drahtlose Verbindungsstrecke 13 vor. Es ist ein drahtloses Benutzer-Endgerät 11 gezeigt, das über eine drahtlose Verbindungsstrecke 13 mit einer Basisstation 15 verbunden ist, die einen Teil eines (nicht gezeigten) drahtlosen Kommunikations-Netzwerkes bildet. Die QoS-Verwaltungsarchitektur, wie sie in dem Benutzer-Endgerät 11 implementiert ist, ist allgemein mit 17 bezeichnet. Die QoS-Verwaltungsarchitektur, wie sie in der Basisstation implementiert ist, ist allgemein mit 19 bezeichnet. In beiden Fällen besteht die QoS-Verwaltungsarchitektur 17, 19 aus drei Funktionsschichten, die von oben nach unten wie folgt bezeichnet sind: IP-QoS-Verwaltung der oberen Schicht (ULQM) 10, die IP-QoS-Anpassungs-Teilschicht (IQA) 14 und die QoS-Verwaltung der unteren Schicht (LLQM) 12.
Eine derartige geschichtete Architektur für die IP-QoS-Verwaltung wurde gewählt, weil sie für eine Implementierung in bzw. als eine Anpassung der geschichteten Architektur geeignet ist, die ein modernes drahtloses Netzwerk innerhalb seines vorhandenen Kommunikations-Protokollstapels hat, der allgemein dem 7-Schicht-Bezugsmodell der Architektur für offene Systeme der internationalen Normenorganisation entspricht. Das 7-Schichten-Modell enthält Schichten der Anpassung, der Präsentation, der Sitzung, des Transports, des Netzwerks, der Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht. In cdma2000 werden die Schichten oberhalb der Verbindungsschicht als die oberen Schichten bezeichnet. Entsprechend besteht der cdma2000-Protokollstapel aus oberen Schichten, einer Verbindungsschicht in der Mitte und einer physikalischen Schicht am Boden. Es ist verständlich, dass das Benutzer-Endgerät 11 und die Basisstation 15 jeweils einen derartigen Protokollstapel haben, dass jedoch nur Einzelheiten, die für die IP-QoS-Verwaltung relevant sind, hier gezeigt und beschrieben sind.
Die ULQM 10 ist für die IP-QoS-Verwaltung in den oberen Schichten des Netzwerkes verantwortlich, und die LLQM 12 ist für die IP-QoS-Verwaltung in der Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht des Netzwerkes verantwortlich. Die IQA 14 liegt zwischen der ULQM 10 und der LLQM 12 und bewirkt eine Abschirmung der LLQM 12 von Belastungen, die andererseits dadurch entstehen würden, dass sie Anwendungs-Einzelheiten der oberen Schichten berücksichtigen muss.
Logisch gesehen schließen sowohl die Basisstation 15 als auch das Benutzer-Endgerät 11 in einem drahtlosen Netzwerk den gleichen Kommunikations-Protokollstapel ein, der aus den oberen Schichten, der Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht besteht. Jede Schicht in dem Stapel kann weiterhin in verschiedene Teilschichten unterteilt werden. Beispielsweise enthalten die oberen Schichten eine Anwendungsschicht, eine TCP/UDP-Schicht, eine IP-Schicht und andere Anwendungs- und Protokoll-Teilschichten. In gleicher Weise enthält die Verbindungsschicht eine Verbindungs-Kontroll-(LAC-)Teilschicht und eine Medienzugriffs-Kontroll-(MAC-)Teilschicht. Jedes Paar von identischen Teilschichten auf der Basisstations-Seite und auf der Benutzer-Endgeräte-Seite bildet ein Paar von gleichrangigen Elementen in dem gesamten Kommunikations-Protokollstapel, der sowohl individuelle Stapel der Basisstation 15 als auch des Benutzer-Endgerätes 11 einschließt. Wenn ein IP-Dienst von der Basisstation 15 an das Benutzer-Endgerät 11 geliefert wird, wird die entsprechende IP-Verkehrs- und Steuer-Signalisierung zwischen den gleichrangigen Protokoll-Elementen auf beiden Seiten übertragen. Die Richtung dieser Übertragung könnte von der Basisstation 15 zu dem Benutzer-Endgerät 11 oder umgekehrt sein.
Die IP-QoS-Verwaltungsarchitektur, die von der Erfindung geschaffen wird, ist sowohl in der Basisstation 15 als auch in dem Benutzer-Endgerät 11 implementiert. Weil es jedoch die Aufgabe der Basisstation ist, die Funk-Ressourcen-Zuteilung in einem drahtlosen System zu steuern, haben die auf der Seite der Basisstation 15 und dem Benutzer-Endgerät 11 implementierten IP-QoS-Verwaltungsarchitekturen etwas unterschiedliche Funktionsinhalte, obwohl sie logisch identisch sein können. Im Hinblick auf das Verständnis, dass die QoS-Verwaltungsarchitektur logisch an der Basisstation 15 und dem Benutzer-Endgerät 11 gleich, jedoch funktionell unterschiedlich ist, beginnt die folgende Beschreibung mit einer allgemeinen Beschreibung der IP-QoS-Verwaltungsarchitektur in einem allgemeinen drahtlosen Netzwerk. Nachfolgend wird die Beschreibung speziell auf die Basisstation 15 gerichtet, um Gesichtspunkte der QoS-Verwaltungsarchitektur aus der Perspektive der Basisstation zu beschreiben. Schließlich wird die QoS-Verwaltungsarchitektur von der Perspektive des Benutzer-Endgerätes aus beschrieben.
DiffServ-Modell
Es sei bemerkt, dass wir in dem folgenden Beispiel annehmen, dass die IP-Dienste-Zustellung in Übereinstimmung mit dem DiffServ-Dienst implementiert werden soll. Wie die IP-QoS-Verwaltungsarchitektur an andere Dienste und Modelle angepasst werden kann, wird in allgemeiner Form nachfolgend unter der Überschrift „Andere Dienste und Modelle" beschrieben.
Allgemeine Beschreibung der IP-QoS-Verwaltungsarchitektur in einem allgemeinen drahtlosen Netzwerk
ULQM
Um die QoS-Verwaltung auf einem IP-Dienst auszuführen, der über eine drahtlose Verbindungsstrecke geliefert wird, sollte die von der ULQM 10 durchgeführte Verwaltungsfunktion zumindest zwei Ziele erreichen. Ein Ziel besteht in der Abwicklung der IP-QoS-Aufgaben von Anwendungen, und das andere besteht in der Schaffung einer Lösung für die Ende-zu-Ende-QoS-Kontrolle über deren Dienste. Die grundlegenden Aufgaben sind die Folgenden: zunächst werden die QoS-Anforderungen von Anwendungen in das TOS/DS-Feld des IP-Kopffeldes jedes IP-Paketes umgesetzt, wobei TOS für den Typ der Dienste steht, die in dem IntServ verwendet werden, und DS für differenzierte Dienste steht. Zweitens führt sie die QoS-Richtlinien-Durchsetzung in der IP-Teilschicht aus, um IP-Datenflüsse auf der Grundlage bestimmter Dienstleistungsvereinbarungen und QoS-Richtlinien zu klassifizieren, in Warteschlangen anzuordnen und zu formen. Weil diese Aufgaben bei vorhandenen drahtgebundenen Netzwerken üblich sind, kann irgendeine vorhandene Standardlösung für die QoS-Verwaltung der oberen Schicht für die drahtlosen QoS-Anpassungs- und Steuermechanismen verwendet werden, die von der Erfindung geschaffen werden. Somit wird bei den bevorzugten Ausführungsformen die ULQM mit einer Standardlösung für die QoS-Verwaltung der oberen Schicht implementiert.
LLQM
Für die Zustellung eines IP-Dienstes über die Funkstrecke spielt die LLQM 12 eine wichtige Rolle bei der QoS-Verwaltung über eine drahtlose Verbindungsstrecke. Sie muss die Fähigkeiten der Verbindungsschicht der drahtlosen Verbindungsstrecke schaffen, um eine QoS-Steuerung auszuführen, und auch für die physikalische Schicht, damit diese tatsächlich die Dienste über die Funkstrecke mit der erforderlichen QoS liefert. Dies erfordert, dass die LLQM 12 die folgenden Funktionen haben muss. Zunächst muss die LLQM 12 in der Lage sein, Information über die QoS-Anforderungen für jeden gelieferten Dienst von der ULQM 10 über die IQA 14 zu empfangen. Zweitens muss sie in der Lage sein, diese Information in eine passende Ressourcen-Anforderung für jeden Dienst umsetzen, um die geeignete logische Ressource zu erhalten. Drittens muss sie in der Lage sein, die Umsetzung von einer logischen Ressource auf die physikalische Ressource durchzuführen und dann die Lieferung des Dienstes über die Funkstrecke zu starten. Eine vollständige Realisierung der LLQM 12 schließt eine vollständige Realisierung der Protokolle der Verbindungsschicht und der physikalischen Schicht ein. Beispielsweise steht die Realisierung der LLQM 12 in der Verbindungsschicht zu dem LAC-Sendewiederholungs-Protokoll, der Anforderungs-Zulassungskontrolle, der dynamischen Ressourcen-Zuteilung, der Übergabeverwaltung, der LAC- und MAC-Signalisierung und der Umsetzung zwischen logischen Ressourcen und physikalischen Ressourcen in Beziehung. Ein spezielles Beispiel für diese Lösung wird nachfolgend für die Anwendung in drahtlosen Netzwerken beschrieben, die die cdma2000-Norm erfüllen.
IQA
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, ist die IQA 14 zwischen der ULQM 10 und der LLQM 12 vorgesehen, um eine Trennung der ULQM- und LLQM-Rollen zu erleichtern. Im Einzelnen besteht ein Vorteil des Vorhandenseins der IQA 14 darin, dass die LLQM 12 von den Belastungen abgeschirmt wird, die durch die Abwicklung der Anwendungseinzelheiten von den oberen Schichten hervorgerufen werden, wobei ein Betrieb der LLQM 12 unabhängig von der ULQM 10 ermöglicht wird.
Die IQA 14 verbindet die ULQM 10 und die LLQM 12 in dem gesamten IP-QoS-Verwaltungsprozess. Sie hat drei grundlegende Funktionen. Die erste Funktion besteht in der Übersetzung von QoS-Anforderungs-Parametern von der ULQM 10 auf Parameter, die von der LLQM 12 verwendet werden können. Die zweite Funktion besteht in dem Austausch dieser übersetzten QoS-Steuer-Parameter zwischen der ULQM 10 und der LLQM 12, so dass ein QoS-Kontrollpfad für einen IP-Verkehrsfluss von den oberen Schichten zu der physikalischen Schicht eines drahtlosen Systems aufgebaut werden kann. Die dritte Funktion besteht in der Unterstützung der MAC-Schicht (in der Verbindungsschicht) bei der Zuteilung von Funk-Ressourcen zu den IP-Diensten.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Ansicht der höheren Ebene beschrieben, wie IP-Pakete von der ULQM 10, der IQA 14 und der LLQM 12 verarbeitet werden, wobei angenommen wird, dass der QoS-Kontrollpfad, wie er oben erwähnt wurde, bereits aufgebaut wurde. IP-Pakete 20 werden zunächst von der ULQM 10 verarbeitet, die eine Klassifizierung, Markierung, Anordnung in Warteschlangen, Ablaufsteuerung und Formung 22 ausführt, vorzugsweise mit Hilfe einer üblichen IP-QoS-Verwaltungslösung für die obere Schicht, obwohl eine kundenspezifische Lösung alternativ selbstverständlich implementiert werden könnte. Auf diese Weise zu verarbeitende Pakete werden der IQA 14 zugeführt, die eine QoS-Anpassung 24 an den IP-Paketen ausführt, um etwas zu erzeugen, was nachfolgend als „angepasste Pakete" 26 bezeichnet wird. Die angepassten Pakete 26 werden dann von der LLQM 12 mit zwei Schritten verarbeitet. Als erstes wird eine Verbindungsschicht-Anpassung und Ressourcen-Umsetzung 28 ausgeführt, um Verbindungsschicht-Pakete (wie z. B. LAC/MAC-Pakete) zu erzeugen, und zweitens wird eine Ablaufsteuerung, Multiplexierung und eine physikalische Ressourcen-Umsetzung 32 durchgeführt, um Rahmen 34 der physikalischen Schicht zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung in ein drahtloses cdma2000-System eingefügt, um eine IP-QoS-Verwaltung auszuführen, so dass das drahtlose cdma2000-System in der Lage ist, seinen Kunden IP-Dienste mit der gewünschten QoS zu liefern. Die folgende Beschreibung ist speziell auf diese bevorzugte Ausführungsform bezogen, um zu erläutern, wie die Erfindung in einem drahtlosen cdma2000-System implementiert wird. Es ist jedoch verständlich, dass die Prinzipien und Verfahrensweisen der Implementierung der Erfindung in einem drahtlosen cdma2000-System auch für andere drahtlose Systeme gelten und immer noch als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung liegend betrachtet werden sollten.
Drahtlose QoS-Verwaltung von der Perspektive der Basisstation aus
3 zeigt eine ausführlichere drahtlose IP-QoS-Verwaltungs-Schichtungsstruktur, wie sie von einer Ausführungsform der Erfindung geschaffen wird, die auf dem cdma2000-Protokollstapel beruht. Für dieses Beispiel wird angenommen, dass das Benutzer-Endgerät 11 und die Basisstation 15 nach 1 einen Teil eines drahtlosen cdma2000-Systems bilden. Aus Gründen der Einfachheit liefert diese Schichtungsstruktur lediglich die ausführliche Information über die funktionellen Einheiten, die sich auf die IP-QoS-Verwaltung beziehen, über die oberen Schichten, die Verbindungsschicht und die physikalische Schicht hinweg. Diese funktionellen Einheiten implementieren die ULQM 10, die IQA 14 und die LLQM 12 in einem drahtlosen cdma2000-System. Ohne Verlust an Verallgemeinerung werden andere Teile des Kommunikations-Protokollstapels ignoriert. Zusätzlich ist festzustellen, dass logisch diese Schichtungsstruktur sowohl auf den Kommunikations-Protokollstapel der cdma2000-Basisstation als auch den Kommunikations-Protokollstapel des cdma2000-Benutzer-Endgerätes anwendbar ist. Weil eine IP-Diensteanforderung von der Basisstation 15 oder dem Benutzer-Endgerät 11 eingeleitet werden kann, was zu unterschiedlichen Anforderungsprozessen führt, ist die folgende Beschreibung hauptsächlich auf die Basisstation 15 gerichtet, weil diese eine dominierende Rolle bei der Funk-Ressourcen-Zuteilung spielt. Eine „Anforderung" in dem DiffServ-Kontext ist einfach ein IP-Paket mit einem unterschiedlichen Codepunkt-Wert in dem DS-Feld. Dies wird weiter unten ausführlicher beschrieben.
In üblicher Weise zeigt 3 den Protokollstapel bei einer logischen Unterteilung in eine Steuerungsebene 42 und eine Datenebene 46. Die Steuerungsebene schließt eine RCD (Ressourcensteuer-Datenbank) 52 und eine RC (Ressourcen-Steuerung) 50 ein, die beide vorzugsweise so implementiert sind, wie dies in der cdma2000-Norm definiert ist, jedoch mit den hier beschriebenen Modifikationen. Die Steuerungsebene 42 hat einen Signalisierungs-Steuer-(SC-)Block 40 für die Kommunikation der Verbindungsschicht-Signalisierung mit den Benutzer-Endgeräten über einen Signalisierungs-Dienst der oberen Schichten (ULSS) 58, der sich in der Datenebene 46 der oberen Schichten befindet. Die Beziehung zwischen jeder Datenebenen-Einheit und ihrer betreffenden Steuerungsebenen-Einheit wird durch eine Verbindungslinie zwischen den beiden in 3 identifiziert.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, wird die ULQM 10 auf der cdma2000-Basisstations-Seite vorzugsweise mit Hilfe einer Standardlösung implementiert. Dies kann beispielsweise eine TCP/UDP/IP-Protokollstufe 57 und die betreffenden Funktionen für die QoS-Richtlinien-Durchsetzung einschließen. Im Einzelnen „erzeugt" für eine cdma2000-Basisstation der Datenanwendungsblock 46 in den oberen Schichten Datenpakete und leitet diese an die TCP/UDP/IP-Protokollstufe 57 weiter. Nach dem Durchlaufen einer TCP/UDP/IP-Protokollstufe 57 werden diese Datenpakete zu IP-Paketen, wobei die QoS-Anforderungs-Parameter in dem TOS/DS-Feld in dem IP-Kopffeld jedes Paketes gespeichert werden. Selbstverständlich können IP-Pakete auch an der IP-Schicht 57 von einer anderen Quelle außerhalb der Basisstation 15 empfangen werden. Die TCP/UDP/IP-Protokollstufe 57 führt weiterhin die QoS-Richtlinien-Durchsetzung für die Klassifizierung, Anordnung in Warteschlangen und Formung dieser Pakete auf der Grundlage bestimmter Dienstevereinbarungen und QoS-Richtlinien durch.
Gemäß der Erfindung ist die neue IQA 14 eine neue Teilschicht, die zwischen der IP-Schicht und der Verbindungsschicht eingefügt ist. Es sind zwei Komponenten in der IQA 14 enthalten. Eine wird als die IQA-Einheit (IQAE) 44 bezeichnet und befindet sich in der Datenebene 46 des cdma2000-Kommunikations-Protokollstapels, und die andere wird als die IQA-Steuerfunktion (IQACF) 40 bezeichnet und befindet sich in der Steuerebene 42 des Stapels. Sie führen eine IP-Anpassung bzw. Anpassungssteuerung aus.
Die IQAE 44 führt eine IP-Paket-Anpassung für eine Paket-Datenübertragung von der IP-Schicht zu der Verbindungsschicht durch. Weil eine Basisstation 15 mehrere Benutzer-Endgeräte 11 behandeln kann, können mehrfache Instanzen der IQAE 44, eine für jedes Nutzer-Endgerät, in der Basisstation 15 vorhanden sein (3 zeigt lediglich eine Instanz). Eine IQAE-Instanz (und eine entsprechende IQACF-Instanz) wird geschaffen, wenn sich ein neues Benutzer-Endgerät 10 bei der Basisstation 15 registriert oder an diese übergeben wird. Vorzugsweise wickelt ein einziges IQAE-, IQACF-Instanzenpaar alle Dienste für ein vorgegebenes Benutzer-Endgerät 11 ab.
Die Funktionalität der IQAE 44 wird nunmehr mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, die die interne Struktur der IQAE 44 erläutert. Die IQAE 44 hat eine Schnittstelle 100 zum Empfang von IP-Paketen von der ULQM 10 und eine Schnittstelle 102 zur Ausgabe angepasster Pakete an die LLQM 12. Die IQAE 44 hat eine Funktionalität 104 zur Überprüfung der TCP/IP-Kopffelder jedes Paketes, eine Funktionalität 106 zur Erzeugung einer Dienste-Bezugsinformation (SRID) in Ausdrücken einer Umsetzungsfunktion f (*), vorzugsweise gemäß der folgenden Definition:
SRID = f (SA, DA, SF, DP, Protokoll, TOS/DS), worin SA die IP-Quellen-adresse, DA die IP-Zieladresse, SP der TCP-Quellen-Port, DP der TCP-Ziel-Port, Protokoll das von dem IP-Paket verwendete Protokoll und TOS/DS die QoS-Parameter sind, die in dem TOS/DS-Feld gespeichert sind. Vorzugsweise ergibt die Funktion f (*) eine Eins-zu-Eins-Umsetzung. Wahlweise kann die IQAE 44 wählen, eine Verhaltens-Aggregation durch Entfernen eines oder mehrerer der Parameter mit Ausnahme von TOS/DS aus der Umsetzungsfunktion wählen, beispielsweise SF und/oder DP. In diesem Fall werden mehrfache Datenströme mit dem gleichen TOS/DS zusammengefügt, um die gleiche QoS-Behandlung zu erfahren.
Die SRID ist ein bekannter cdma2000-Parameter, doch ist die Art und Weise, wie er auf der Grundlage der Parameter einer IP-Verbindung bestimmt wird, wie dies weiter oben beschrieben wurde, neu. Weiterhin ist die Art, wie er in dem nachfolgend ausführlich beschriebenen Etikett-Vermittlungsmechanismus verwendet wird, neu. Es ist verständlich, dass ein anderes Etikett für jede Dienste-Instanz alternativ verwendet werden könnte. Die konventionelle SRID ist ein 3-Bit-Wert, der in der MUX und der QoS-Funktion in der Verbindungsschicht erzeugt wird, um Dienste-Instanzen zu identifizieren. Die Erfindung ändert dies, vorzugsweise auf einen 8-Bit-Wert, der von der IQA erzeugt wird und der gleichzeitige Datenströme zwischen Endpunkten mit unterschiedlichen QoS's unterstützt.
Die IQAE 44 hat weiterhin einen Funktionsblock 108 zur Kommunikation mit ihrer entsprechenden IQACF 40-Instanz über eine Schnittstelle 110 zum Austausch von Dienste-Konfigurations-Statusinformationen, wie z.B. der SRID. Die IQAE 44 vergleicht die berechnete SRID mit einer vorhandenen SRID für diese Instanz, falls eine vorhanden ist (Block 112), um festzustellen, ob sie identisch sind. In dem Fall, dass sie nicht übereinstimmen, werden im Block 109 drahtlose QoS-Parameter berechnet, wie dies nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, und die neue SRID und die berechneten drahtlosen QoS-Parameter werden an die entsprechende IQACF-Instanz zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Die IQACF 40 vergleicht die berechneten QoS-Parameter mit der vorhandenen Dienste-Konfiguration, und sie entscheidet, ob eine Dienste-Aushandlung erforderlich ist. Alternativ kann die IQAE 44 eine derartige Entscheidung treffen und Anweisungen an die IQACF 40 geben, eine Dienste-Aushandlung zu beginnen. In jedem Fall muss die IQACF 40 entweder die Annahme der neuen SRID oder deren Zurückweisung gegenüber der IQAE 44 (Block 113) bestätigen oder zurückweisen.
Wenn die Ereignis-Diensteaushandlung erfolgreich abgeschlossen wird oder vorhandene Ressourcen erfolgreich zugeordnet wurden, oder in dem Fall, in dem die SRID mit einer vorhandenen SRID übereinstimmt, markiert ein Funktionsblock 114 jedes Paket mit dessen SRID, wodurch entsprechende sogenannte angepasste Pakete erzeugt werden, und leitet jedes angepasste Paket an die Verbindungsschicht über die Schnittstelle 102 zur Weiterverarbeitung weiter. In dem Fall, dass die Dienste-Aushandlung nicht erfolgreich abgeschlossen wird, wird das Paket zurückgewiesen (Block 116) und neu markiert, um eine Übereinstimmung mit der vorhandenen Dienstekonfiguration herzustellen. Der Rückwärtspfad 118 der IQAE 44 ist einfach Null, weil nichts mit Paketen von der Verbindungsschicht zu tun ist.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, erfolgt vor der Durchführung der Dienste-Aushandlung eine Umsetzung der QoS-Parameter in das Kopffeld des IP-Paketes auf drahtlose QoS-Parameter, wie dies im Block 109 gezeigt ist. Diese Umsetzung könnte alternativ von der IQACF 40 ausgeführt werden. Drahtlose QoS-Parameter könnten beispielsweise eine Pfad-Bandbreiten-Schätzung, eine minimale Pfad-Latenz und Priorität einschließen.

Das Prinzip der Umsetzungsfunktion im Block 109 kann unter Verwendung eines Beispiels für die Unterstützung der zugesicherten Weiterleitungs (AF) PHB gezeigt werden, die in DiffServ definiert ist. Die AF ist eine Möglichkeit, unterschiedliche Grade der Weiterleitungs-Zusicherungen für IP-Pakete anzubieten. Vier AF-Klassen mit drei Pegeln eines Vorrangs des Paketverlustes in jeder Klasse wurden in den Internet-Normen definiert. Die Werte der AF-Codepunkte, die in den DS-Normen empfohlen werden, sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst:

	Klasse 1	Klasse 2	Klasse 3	Klasse 4
Niedriger Verlust-Vorrang	001010	010010	011010	100010
Mittlerer Verlust-Vorrang	001100	010100	011100	100100
Hoher Verlust-Vorrang	001110	010110	011110	100110

Innerhalb jeder AF-Klasse werden IP-Pakete mit einer von drei möglichen Verlust-Vorrang-Werten markiert. Im Fall einer Verkehrsüberlastung werden die Pakete mit einem höheren Verlust-Vorrang-Wert vor demjenigen verworfen, die einen niedrigeren Verlust-Vorrang-Wert haben. Das Verwerfen von Paketen wird allgemein an der ULQM durchgeführt oder alternativ durch die LLQM erzwungen, wenn eine vollständige ULQM-Funktion innerhalb der Basisstation fehlt. In jedem Fall muss die LLQM geeignete Weiterleitungs-Ressourcen (Pufferplatz und Bandbreite) zur Unterstützung unterschiedlicher AF-Pegel zuteilen. Die Umsetzungsfunktion im Block 109 übersetzt vier AF-Klassen in vier Prioritätswerte, die innerhalb der drahtlosen Domäne definiert sind, wobei jeder Priorität eine bestimmte Menge an Ressourcen (Pufferplatz und Bandbreite) zugeordnet wird. Derzeit ist es unmöglich, die exakte Menge an Ressourcen in der Basisstation für jede AF-Klasse zu spezifizieren, weil die erforderlichen Weiterleitungs-Ressourcen, die jeder Klasse entsprechen, in den Normen nicht definiert sind. Es wird erwartet, dass eine derartige Umsetzungsbeziehung in der Netzwerk-Bereitstellung gemäß der Dienstevereinbarung vordefiniert und von der IQAE im Betrieb aufrecht erhalten wird.
Die IQACF 40 führt eine IP-Paket-Anpassungssteuerung durch. Wie im Fall der IQAE 44 können mehrfache Instanzen der IQACF 40 in der Basisstation 15 entsprechend jeder Instanz der IQAE 44 existieren, wobei jedes IQAE 44-IQACF 40-Instanzenpaar einem jeweiligen Benutzer-Endgerät 11 entspricht. Jede Instanz der IQACF 40 hat vier Funktionen. Gemäß 5 besteht die erste Funktion in der Kommunikation über die Schnittstelle 110 mit ihrer entsprechenden IQAE 44-lnstanz zum Austausch der Dienstekonfigurations-Statusinformation, wie z.B. der SRID (Block 130). Die zweite Funktion besteht in der Kommunikation über die Schnittstelle 133 mit der RCD 52 über die RC 50 in der Steuerungsebene, um die Dienstekonfigurations-Statusinformation auszutauschen und aufzuzeichnen, wie z.B. die SRID (Block 132). Die dritte Funktion besteht in der Feststellung, ob die vorhandene Dienstekonfiguration die QoS-Parameter erfüllen kann oder nicht (Block 135). Die vierte Funktion besteht in der Behandlung der RC 50 in der Steuerungsebene zur Durchführung der Diensteanforderungen und der Koordination solcher Dinge, wie der Dienste-Aushandlung oder Neuaushandlung (Block 134).
Es gibt eine Datenstruktur, die die Dienste-Instanztabelle (48 in 3) genannt wird, die alle die Dienstekonfigurations-Statusinformation in der RCD 52 enthält, die durch die cdma2000-Norm definiert ist. Die Verwendung dieser Datenstruktur zur Implementierung eines QoS-Zustellungspfades von der IP-Schicht durch die Verbindungsschicht zu der physikalischen Schicht ist in der Standard-Spezifikation jedoch nicht definiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwenden die IQACF 40 und die IQAE 44, die durch die Erfindung definiert sind, diese Datenstruktur durch Speichern eines Datensatzes für jede Dienste-Instanz in der Form (SRID, drahtlose QoS-Parameter).
Anhand der 6 werden die zugehörigen Operationen, die von der IQACF 40 und der IQAE 44 bei der Verwendung der Dienste-Instanztabelle ausgeführt werden, um die IP QoS-Anpassung durchzuführen, nunmehr beschrieben. Sobald die IQA 14 ein Paar von IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen für einen IP-Dienst erzeugt, der einem bestimmten Benutzer-Endgerät zugeordnet ist, treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 182 ein, um auf die Ankunft eines IP-Paketes von der ULQM 10 zu warten. Wenn ein derartiges Paket ankommt, treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 184 ein, in dem die IQAE 44-Instanz das IP-Kopffeld des ankommenden IP-Paketes prüft, und die IQACF 40-Instanz die RCD 52 kontaktiert, um die SRID(s) von der SIT 48 des vorhergehenden Paketes zu erfassen, die von dieser Instanz verarbeitet wurde. Danach treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 186 ein, an dem die IQAE 44-Instanz eine SRID für das ankommende IP-Paket auf der Grundlage der IP-Kopffeldinformation und der Umsetzungsfunktion f (*) berechnet und die IQACF 40-Instanz die SRID des vorhergehenden Paketes an die IQAE 44-Instanz zum Vergleich mit der neu berechneten SRID weiterleitet. Alternativ kann oder können die vorhergehende SRID(s) örtlich in der IQAE 44 gespeichert werden. An dem nächsten Block 188 vergleicht die IQAE 44-Instanz die neue SRID mit der oder den vorhandenen, um festzustellen, ob sie identisch sind. Wenn eine Übereinstimmung festgestellt wird, so wurden die Ressourcen für die Dienste-Instanz bereits vorher ausgebildet. Die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen treten dann in den Block 196 ein, in dem die IQAE 44-Instanz das IP-Paket mit der SRID etikettiert, um ein angepasstes Paket zu bilden, und dann das auf diese Weise etikettierte Paket an die Verbindungsschicht zur weiteren Verarbeitung weiterleitet, und die IQACF 40-Instanz behält die vorhergehende SRID in der SIT 48 bei. Wenn keine Übereinstimmung zwischen der neu berechneten SRID und der oder den vorhergehenden SRID(s) besteht, so ist irgendwas in dem ankommenden IP-Paket-Kopffeld verglichen mit dem des vorhergehenden Paketes unterschiedlich. In diesem Fall treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 190 ein, in dem die IQAE 44-Instanz die neue SRID an die IQACF 40-Instanz sendet. Danach treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 192 ein, in dem die IQAE 44-Instanz nichts zu tun hat, und nur darauf wartet, dass die IQACF 40-Instanz entweder vorhandene Ressourcen zuteilt oder eine neue Diensteanforderung an die RC 50 für eine Dienste-Aushandlung oder Neuaushandlung macht. Am Block 191 werden die drahtlosen QoS-Parameter berechnet, entweder durch die IQAE, wobei in diesem Fall dies vor dem Block 190 erfolgt, oder durch die IQACF, wobei in diesem Fall dies nach dem Block, 190 erfolgt, wie dies gezeigt ist. Wenn die Aushandlung nicht erfolgreich ist, informiert die IQACF 40-Instanz die IQAE 44 über das Ergebnis, um das ankommende Paket zu verwerfen (Block 195), und dann gehen die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen zu dem Block 182 zurück. Wenn die Aushandlung erfolgreich ist, treten die IQAE 44- und IQACF 40-Instanzen in den Block 196 ein, in dem die IQAE 44-Instanz das IP-Paket mit der neuen SRID etikettiert, um ein angepasstes Paket zu bilden, und es dann an die Verbindungsschicht zur weiteren Verarbeitung weiterleitet, und die IQACF 40-Instanz fügt einen neuen Dienste-Datensatz zu der Dienste-Instanztabelle 48 in der RCD 52 hinzu, der die neue SRID enthält. Dann kehren beide Instanzen 40, 44 zu dem Block 182 zurück. An diesem Punkt ist ein vollständiger Betriebszyklus der IQA 14 abgeschlossen.
Die ULQM 10 und IQA 14-Komponenten der IP-QoS-Verwaltungsarchitektur für eine cdma2000-Basisstation wurden nunmehr ausführlich beschrieben. Der verbleibende Teil der Architektur ist die LLQM 12. Um die LLQM 12 zu verstehen, ist eine gewisse Kenntnis über die cdma2000-Verbindungsschicht erforderlich, und es wird daher nachfolgend eine kurze Einführung in die cdma2000-Verbindungsschicht gegeben, bevor die LLQM 12 beschrieben wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 sei daran erinnert, dass der Verbindungsschicht-Kommunikations-Protokollstapel eines cdma2000-Systems in zwei Ebenen unterteilt werden kann, die als die Datenebene 42 und de Steuerungebene 46 von der Funktionalitäts-Perspektive aus bezeichnet werden.
Für eine IP-Datendienst-Instanz enthält die Datenebene 46 Einheiten, die z.B. die Datenverbindungs-Zugangssteuerung (Data LAC) 62, einen dedizierten/gemeinsamen Router (DCR) 64, eine Funkverbindungsprotokoll-(RLP-)Warteschlange 68, RLP 70, ein Funk-Burst-Protokoll (RBP) 72 und eine Mux/QoS-Steuer-Teilschicht 74. Um diese Einheiten zu steuern, enthält die Steuerungsebene 42 entsprechende Steuerfunktionen, die als die Ressourcensteuerung (RC) 50, die DCR-physikalische Schicht-unabhängige Konvergenzfunktion (PLICF) 60, die Paket-PLICF 66 und die Mux/QoS-Steuerfunktion 76 bezeichnet werden. Zusätzlich hierzu enthält die Steuerungsebene 42 auch die bereits vorher genannte Ressourcen-Konfigurations-Datenbank 52 zur Aufzeichnung der gesamten Ressourcen-Konfigurations-Information und eine Signalisierungs-Steuerung (SC) 54 zur Kommunikation der Verbindungsschicht-Signalisierung mit den Benutzer-Endgeräten über einen Signalisierungsdienst der oberen Schichten (UPSS) 58, der sich in der Datenebene 46 der oberen Schichten befindet. Die Beziehung jeder Datenebenen-Einheit und ihrer betreffenden Steuerungsebenen-Einheit ist durch die Verbindungslinie zwischen den beiden in 3 identifiziert. Die ausführlichen Funktionsdefinitionen für alle diese Einheiten finden sich in der cdma2000-Norm.
Nach dieser kurzen Einführung kann die LLQM 12 einer cdma2000-Basisstation 15 nunmehr unter weiterer Bezugnahme auf 3 beschrieben werden. Zunächst empfängt die Verbindungsschicht jedes angepasste Paket von der IQAE 44. Während der Dienste-Aushandlungsstufe wurden die logischen Verbindungsschicht-Ressourcen vorher ausgebildet, die drahtlose QoS-Parameter erforderten. Eine Tabelle, die als die Dienste-zu-logische-Ressourcen-Umsetzungstabelle bezeichnet wird, wird definiert, um die Umsetzung von einer SRID auf eine derart ausgebildete logische Ressource zu speichern. Die Tabelle ist durch die Verbindungsschicht zugänglich und wird vorher als eine zusätzliche Komponente in der RCD 52 gespeichert. Sie speichert Datensätze der Form {SRID, logische Kanal-ID}. In cdma2000 schließen Beispiele von logischen Kanälen r-dtch und f-dtch ein. dtch bedeutet dedizierter Verkehrskanal, und dies ist ein logischer Kanal, der zur Übertragung des Benutzer-Datenverkehrs verwendet wird. r-dtch ist der dedizierte Rückwärtsstrecken-Verkehrskanal, und f-dtch ist der dedizierte Vorwärtsstrecken-Verkehrskanal. Weiterhin steht dmch für den dedizierten MAC-Kanal. Dies ein logischer Kanal, der zur Übertragung von Medien-Zugangskontroll-(MAC-)Mitteilungen verwendet wird. csch steht für den gemeinsamen Signalisierungskanal.
Dies ist ein Vorwärts- oder Rückwärts-Logikkanal, der zur Übertragung von Benutzer-Signalisierungsdaten verwendet wird. Einzelne Pakete werden durch die Verbindungsschicht verarbeitet, die jedes Paket an den passenden logischen Kanal auf der Grundlage der SRID des Paketes und der vorstehend beschriebenen logischen Ressourcen-Umsetzungstabelle weiterleitet. Es sei bemerkt, dass die SRID → logische Kanal-Umsetzung alternativ in der MAC-Teilschicht ausgeführt werden könnte.
Unterhalb des Daten-LAC 62 befindet sich die MAC-Teilschicht der Verbindungsschicht. Gemäß der cdma2000-Norm hat die MAC-Maschine, die sich auf eine bestimmte Paketdatendienst-Instanz bezieht, vier Arbeitszustände, die der aktive Zustand, der Steuerungs-Haltezustand, der suspendierte Zustand und der Ruhezustand sind. In welchem Zustand die MAC-Maschine arbeiten sollte, hängt von dem derzeitigen Dienste-Instanz-Status, aktiv oder inaktiv, und dem derzeitigen Ressourcen-Konfigurations-Status des Systems ab. Die QoS-Anforderung jeder aktiven Dienste-Instanz in dem System ist einer der wichtigen Parameter, um diesen Ressourcen-Konfigurations-Status für das Gesamtsystem festzustellen. Die MAC-Teilschicht erfüllt einen Teil der LLQM-Aufgaben, um sicherzustellen, dass die MAC-Maschine, die sich auf eine bestimmte Dienste-Instanz bezieht, in dem richtigen Arbeitszustand arbeitet, während die MAC-Maschine Pakete von der Daten-LAC 44 mit Diensten versorgt. Dies wird mit zwei wichtigen Funk-Ressourcen-Verwaltungs-Algorithmen erzielt, die der Zugangssteuer-Algorithmus und der Ressourcenzuteilungs-Algorithmus sind. Das ausführliche Studium dieser Algorithmen liegt jenseits des Umfanges dieser Erfindung, so dass hier keine weitere Information über diese Algorithmen gegeben wird. Es ist jedoch verständlich, dass unabhängig von der Art der Zugangskontroll-Algorithmen und der Ressourcen-Zuteilungs-Algorithmen, die bei der Erfindung verwendet werden, diese an dem QoS-Verwaltungs-Zustellungsprozess beteiligt sind, wie dies in 7 gezeigt ist, die weiter unten beschrieben wird. Während der Dienste-Aushandlung werden passende physikalische Ressourcen aufgebaut und vorgegebenen logischen Kanälen zugeteilt. Eine Tabelle, die als die logisch-zu-physikalisch-Ressourcen-Umsetzungstabelle bezeichnet wird, wird vorzugsweise in der RCD 52 geführt und enthält Datensätze der Form {logische Kanal-ID, physiklischer Kanal}. In cdma2000 schließen Beispiele von physikalischen Kanälen FCH (Grundkanal) und SCH (Zusatzkanal) ein.
Nunmehr wird der Paketfluss in der MAC-Teilschicht unter der Steuerung der LLQM 12 beschrieben. Zunächst ergibt die DCR 64 die Routenführung für das Paket von der Daten-LAC 44 zur Verwendung der passenden Verbindungsschicht-Ressource, wie sie durch die logische Kanal-Umsetzungstabelle, beispielsweise RLP 70 oder RBP 72 definiert ist, unter der Steuerung der DCR PLICF 60 auf der Grundlage des derzeitigen Status der MAC-Maschine, die sich auf die Dienste-Instanz bezieht. Wenn das Paket von der DCR 64 an die RLP-Warteschlange 68 gelenkt wird, wird es in der Warteschlange angeordnet, wenn diese nicht leer ist, und es wird dann an das RLP 70 durch die RLP-Warteschlange 68 unter der Steuerung der Paket-PLICF 66 weitergeleitet. Andererseits wird, wenn das Paket nicht an die RLP-Warteschlange 68 gelenkt wird, es auf die RBP 72 umgeschaltet. Die Operationen der RLP-Warteschlange 68, der LP 70 und der RBP 72 folgen der cdma2000-Norm. Unabhängig davon, welches Funkprotokoll die DCR PLICF 60 wählt, enthält der bestimmte logische Kanal, an den das Paket weitergeleitet wird, von Natur aus Information über die betreffende QoS-Verwaltung. Die Mux/QoS-Steuerungs-Teilschicht 74 setzt unter der Steuerung der Mux/QoS-Steuerfunktion 76 und unter Verwendung der logischen-zu-physikalischen-Ressourcen-Umsetzungstabelle die logische Ressource auf die passende physikalische Ressource um und leitet das Paket an die auf diese Weise identifizierte physikalische Ressource weiter. Schließlich liefern die Übertragungstechnologien der physikalischen Schicht physikalisch das Paket über die Funkstrecke mit der erforderlichen QoS weiter, so dass die vollständige LLQM 12 realisiert wird.
Als Ergebnis eines erfolgreichen Aufbaus, wie er vorstehend ausführlich beschrieben wurde, wird ein virtueller QoS-Verwaltungs-Zustellungspfad zwischen den oberen Schichten und den LAC-/MAC-Ressourcen für einen IP-Verkehrsfluss mit einer bestimmten QoS aufgebaut. Für den Zweck des QoS-Verwaltungs-Zustellungsprozesses wird dieser Pfad durch eine Serie von Umsetzungen identifiziert: SRID → logische Kanal-ID → physikalische Kanal-ID. Entlang dieses Pfades werden die erforderlichen LAC-/MAC- und physikalischen Ressourcen reserviert und dem Verkehrsfluss zugeteilt. Dies ist in 7 zusammengefasst. In 7 sind die Datenebene 46 und die Steuerungsebene 42 funktionell wiederum voneinander unterschieden. Die IQA-Teilschicht 14 ist so gezeigt, dass sie eine erste Umsetzung auf der Grundlage der Dienste-Instanztabelle 48 durch Hinzufügen eines passenden SRID-Etiketts an jedes IP-Paket ausführt. Die Daten-LAC-Funktion 62 in der Verbindungsschicht setzt dies auf eine logische Kanal-ID um, die aus der Dienste-zu-logische Ressource-Umsetzungstabelle 80 entnommen wird, und leitet das Paket an den auf diese Weise identifizierten logischen Kanal weiter. Alternativ kann, wenn die LAC-Schicht fehlt (eine Null-LAC), die DCR an der MAC-Schicht eine derartige Aufgabe ausführen. Schließlich setzt die MUX und die QoS-Teilschicht 74 die logischen Kanäle auf entsprechende physikalische Kanäle mit der logischen-zu-physikalischen Ressourcen-Umsetzungstabelle 82 um.
Als ein Beispiel zeigt 8, wie unterschiedliche QoS-Anforderungen über die ULQM 10 und die LLQM 14 hinweg unter Verwendung des vorstehenden Mechanismus unterstützt werden. In diesem Beispiel führt die Verarbeitung ankommender IP-Pakete zu/von einem bestimmten Benutzer-Endgerät durch die ULQM 10 zu drei unterschiedlichen Graden der Dienstgüte. Drei QoS-Zustellungspfade werden für drei Dienste-Instanzen geschaffen, die jeweils ihre eigenen QoS-Anforderungen haben. Für dieses Beispiel gibt es zur Schaffung der drei QoS's drei unterschiedliche SRIDs S1, S2, S3, drei unterschiedliche logische Verbindungsschicht-Kanäle, die mit L1, L2, L3 bezeichnet sind, und zwei physikalische Kanäle, die mit P1, P2 bezeichnet sind.
Die IQA-Teilschicht 14 passt diese QoS-Anforderungen an und übersetzt sie, und sie ordnet eine unterschiedliche SRID (das heißt S1, S2 und S3) zu jedem Verkehrsfluss der Dienste-Instanz entsprechend zu. Jedes Paket wird mit einer dieser SRIDs etikettiert. Die IQAE 44 verwendet diese SRIDs dazu, um jedes Paket von einer Dienste-Instanz zu einem QoS-Verwaltungs-Zustellungspfad in Beziehung zu setzen und sie leitet das Paket an die passende Verbindungsschicht weiter, die es der entsprechenden Ressource zuordnet, die durch eine logische Kanal-ID identifiziert ist, die aus der Dienste-zu-logische Ressource-Umsetzungstabelle gelesen wurde.
Für dieses Beispiel wird angenommen, dass die QoS-Anforderung für die Dienste-Instanz S1 und S2 auf einen gemeinsam genutzten physikalischen Kanal P1 unterstützt werden kann (das heißt, dass mehrfache logische Kanäle von mehrfachen Dienste-Optionen auf einen einzigen physikalischen Kanal umgesetzt werden können), und dass die QoS-Anforderung für die Dienste-Instanz S3 auf einem dedizierten physikalischen Kanal P2 zu unterstützen ist. Als ein Ergebnis multiplexiert die Mux-/QoS-Steuerungs-Teilschicht die Pakete von L1 und L2 und setzt sie auf den physikalischen Kanal P1 um, und sie sendet die Pakete von L3an den physikalischen Kanal P2.
Bis zu diesem Punkt wurde die Beschreibung der Erfindung auf das Szenarium fokussiert, bei dem die IP-Diensteanforderung durch eine cdma2000-Basisstation eingeleitet wird. Im Prinzip gelten die Verfahrensweise und die Beschreibung auch für die QoS-Verwaltung in einem cdma2000-Benutzer-Endgerät, mit folgenden Unterschieden.
Drahtlose QoS-Verwaltung von der Perspektive des Benutzer-Endgerätes aus
Für ein cdma2000-Benutzer-Endgerät 11 wird die funktionelle Struktur des Endgerätes mit dem gleichen Kommunikations-Protokollstapel wie dem für eine cdma2000-Basisstation 15 modelliert, wie dies in 3 gezeigt ist. Das Benutzer-Endgerät 11 kann sich die Ressource jedoch nicht selbst zuteilen. Ihre RCD 52 zeichnet lediglich die Ressourcen-Konfigurations-Information bezüglich ihrer eigenen Dienste-Instanzen auf. Es gibt lediglich eine einzige IQAE 44 und IQACF 40 in dem Benutzer-Endgerät. Diese Information wird von der RCD 52 der Basisstation 15, die das Benutzer-Endgerät 11 mit Diensten versorgt, an die RCD 52 des Benutzer-Endgerätes über die Basisstations-SC 54 und die ULSS 58 über die Funkstrecke und über das Endgerät SC 54 und die ULSS 58 ausgesandt. Vorzugsweise sind die ULQM 10 und die IQA 12 für das Endgerät 11 die gleichen, wie für die Basisstation 15. Der Unterschied besteht in der LLQM 12.
Wenn eine IP-Diensteanforderung in dem Benutzer-Endgerät 11 eingeleitet wird, wird sie an den ULSS 58 in der Datenebene 46 der Basisstation 15 über den Pfad gesandt, die die SC 54 und die ULSS 58 innerhalb des Endgerätes 11 und einen physikalischen gemeinsamen Zugangskanal von dem Endgerät 11 an die Basisstation 15 über die Funkstrecke einschließt. Der ULSS 58 der Basisstation leitet die Anforderung dann an die Signalisierungssteuerung (SC) 54 weiter, die eine Koordination mit der RC 50 ausführt, um Ressourcen unter Einschluss der logischen und physikalischen Ressourcen an das Benutzer-Endgerät zuzuteilen. Die resultierende Ressourcen-Zuordnungs-Information wird an das Benutzer- Endgerät über den Pfad von der RC 50, der SC 54 und dem ULSS 58 innerhalb der Basisstation, einen physikalischen gemeinsamen Suchrufkanal von der Basisstation 15 an das Benutzer-Endgerät 11 über die Funkstrecke und den ULSS 58, die SC 54 und die RC 50 innerhalb des Benutzer-Endgerätes 11 zurückgesandt. Mit dieser Information steuern die RC 50, die Daten-LAC 62, die DCR-PLICF 60, die Paket-PLICF 66 und die Mux-/QoS-Steuerung 76 innerhalb der Steuerungsebene in dem Benutzer-Endgerät 11 ihre jeweiligen Einheiten in der Datenebene, um den QoS-Verwaltungs-Zustellungsprozess und Pfad in der gleichen Weise aufzubauen, wie dies für die Basisstation 15 der Fall war, und sie führen die LLQM auf den Paket-Verkehrsfluss innerhalb des Benutzer-Endgerätes 11 aus.
Andere Dienste und Modelle
Das vorstehende Beispiel war ziemlich ausführlich hinsichtlich der Bereitstellung der QoS für IP in einem DiffServ-Kontext in einem cdma2000-Netzwerk. Es ist verständlich, dass bei geeigneten Modifikationen, die für den Fachmann verständlich sind, die Erfindung auf die Bereitstellung von QoS für Pakete der oberen Schichten einer anderen Art als IP oder in einem anderen IP-Kontext als DiffServ angewandt werden könnte. Weiterhin ist es verständlich, dass sie in irgendeinem drahtlosen Netzwerk mit mehrfachen physikalischen und logischen Kanälen angewandt werden kann, und nicht nur in cdma2000.

Claims

QoS-, Dienstgüte-, Verwaltungsarchitektur zur Lieferung eines ankommenden Stromes von Paketen über eine drahtlose Verbindungsstrecke mit einer QoS, mit: einer ULQM, Verwaltungsschicht für die QoS der höheren Schicht, in einer höheren Schicht eines drahtlosen Netzwerkes; einer LLQM, Verwaltungsschicht für die QoS der niedrigeren Schicht in einer Verbindungsschicht eines drahtlosen Netzwerkes; und gekennzeichnet durch: eine IQA-, IP-QoS-Anpassungs-, Teilschicht zwischen der ULQM und der LLQM, die zur Durchführung einer Paket-Anpassung derart angeordnet ist, dass QoS-Anforderungs-Parameter von der ULQM durch die LLQM effektiv umgesetzt und verwendet werden können, wobei die IQA-Teilschicht Funktionalität zum Umsetzen der QoS-Anforderungs-Parameter auf entsprechende drahtlose QoS-Parameter durch Erzeugen (106) eines Dienste-Konfigurationsstatus-Informationsetiketts für jedes Paket, zum Vergleich (112) des erzeugten Etikett für jedes Paket mit einem vorhandenen Etikett, zur Weiterleitung (114) des Paketes mit dem erzeugten Etikett etikettiert an die Verbindungsstreckenschicht, wenn die verglichenen Etiketten übereinstimmen, und wenn die Etiketten nicht übereinstimmen, zur Berechnung (109) von drahtlosen QoS-Parametern für einen neuen Strom, und zum Zusammenwirken mit der LLQM zur Zuteilung (113) vorhandener drahtloser Ressourcen zur Abwicklung des neuen Stromes oder zur Koordination einer Dienste-Aushandlung oder Neu-Aushandlung (113) umfasst, wenn vorhandene drahtlose Ressourcen für den neuen Strom unzureichend sind.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1, die in einem drahtlosen Benutzer-Endgerät implementiert ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1, die in einer Basisstation implementiert ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1, bei der der Strom von Paketen IP-Pakete sind.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 4, bei der die drahtlose Verbindungsstrecke eine drahtlose cdma2000-Verbindungsstrecke ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1, bei der das Zusammenzuwirken zur Zuteilung von Ressourcen zur Abwicklung des neuen Stromes das Zuteilen einer logischen Verbindungsschicht-Ressource zu dem neuen Strom umfasst.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1 oder 6, bei der das Zusammenzuwirken zur Zuteilung von Ressourcen zur Abwicklung des neuen Stromes die Zuteilung einer Ressource der physikalischen Schicht zu dem neuen Strom umfasst.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 6, die weiterhin einen Etikett-Verarbeitungsmechanismus in der Verbindungsschicht umfasst, der zur Weiterleitung jedes Paketes an eine geeignete logische Ressource der Verbindungsschicht ausgebildet ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 6, die weiterhin einen Umsetzungs-Mechanismus zur Weiterleitung von Paketen auf der Grundlage des Etiketts von der logischen Ressource der Verbindungsschicht, die einem vorgegebenen Strom zugeordnet ist, zu einer Ressource der physikalischen Schicht umfasst, die dem Strom zugeordnet ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 9, bei der eine Steuerkomponente eine erste Umsetzung von dem Etikett auf drahtlose QoS-Parameter, eine zweite Umsetzung von dem ersten Etikett auf die logische Ressource der Verbindungsschicht und eine dritte Umsetzung von der logischen Ressource der Verbindungsschicht auf die Ressource der physikalischen Schicht unterhält.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 1, bei der die IQA-Teilschicht eine QAE, QoS-Anpassungseinheit, in der Datenebene des cdma2000-Kommunikations-Protokollstapels und eine QACF, QoS-Anpassungs-Steuerfunktion, in der Steuerebene des cdma2000-Kommunikations-Protokollstapels umfasst.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 11, bei der die Umsetzung auf einer Umsetzungsfunktion beruht und eine Eins-zu-Eins-Umsetzung ist und eine Funktion der Quellenadressen-, Zieladressen-, Port-, Protokoll- und QoS-Parameter ist.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 11, bei der die Umsetzung auf einer Umsetzungsfunktion beruht und eine Verhaltens-Aggregation dadurch ausführt, dass ein oder mehrere der Parameter mit Ausnahme der QoS-Parameter aus der Umsetzungsfunktion entfernt werden, derart, dass mehrfache Ströme mit den gleichen QoS-Parametern zusammengefügt werden, um die gleiche QoS-Behandlung zu empfangen.
QoS-Verwaltungsarchitektur nach Anspruch 11, bei der ein QoS-Anforderungs-Parameter-Zustellungspfad-Folgendes umfasst: eine Umsetzung von einer SRID, Dienste-Bezugs-Identifikation, auf eine Logikkanal-ID und dann auf eine physikalische Kanal-ID wird durch die QoS-Verwaltungsarchitektur ausgebildet.
IQA-, IP QoS-Anpassungs-, Teilschicht, die zur Einfügung zwischen einer ULQM, höheren Schicht-QoS-Verwaltungsschicht in einer höheren Schicht eines drahtlosen Netzwerkes, und einer LLQM, niedrigeren Schicht-QoS-Verwaltungsschicht in einer Verbindungsschicht eines drahtlosen Netzwerkes ausgebildet ist, wobei die IQA zur Durchführung einer Paketanpassung derart angeordnet ist, dass QoS-Anforderungs-Parameter von der ULQM durch die LLQM effektiv umgesetzt und verwendet werden können, wobei die IQA-Teilschicht Funktionalität zur Umsetzung der QoS-Anforderungs-Parameter auf entsprechende drahtlose QoS-Parameter durch Erzeugen (106) eines Dienste-Konfigurations-Statusinformations-Etiketts für jedes Paket, zum Vergleich (112) des erzeugten Etiketts für jedes Paket mit einem vorhandenen Etikett, zur Weiterleitung (114) des Paketes, das mit dem erzeugten Etikett etikettiert ist, an die Verbindungsstreckenschicht, wenn die verglichenen Etiketten übereinstimmen, und wenn die Etiketten nicht übereinstimmen, zur Berechnung (109) von drahtlosen QoS-Parametern für einen neuen Strom und zum Zusammenzuwirken mit der LLQM zur Zuteilung (113) vorhandener drahtloser Ressourcen zur Abwicklung des neuen Stromes oder zur Koordination einer Dienste-Aushandlung oder Neu-Aushandlung (113) umfasst, wenn vorhandene drahtlose Ressourcen für den neuen Strom unzureichend sind.
IQA-Teilschicht nach Anspruch 15, die in einem drahtlosen Benutzer-Endgerät implementiert ist.
IQA-Teilschicht nach Anspruch 15, die in einer Basisstation implementiert ist.
IQA-Teilschicht nach Anspruch 16, bei der das drahtlose Benutzer-Endgerät ein cdma2000-konformes drahtloses Benutzer-Endgerät umfasst.
IQA-Teilschicht nach Anspruch 17, bei der die Basisstation eine cdma2000-konforme Basisstation umfasst.