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Hintergrund der Erfindung
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I. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf drahtlose lokale Netzwerke.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein lokales drahtloses
Netzwerk mit variablen Datenübertragungsraten,
welches eine Vielzahl von mobilen Einheiten aufweist, die zwischen
Zugangspunkten weiterschalten, die mit möglicherweise unterschiedlichen
Datenraten arbeiten.
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II. Beschreibung der verwandten
Technik
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Drahtlose
lokale Netzwerke (LANs, LAN = local area network) werden bei Geschäftsanwendungen
verwendet, wie beispielsweise der Inventur, bei Preisüberprüfungen,
bei tragbaren Kassensystemen, bei der Bestellungseingabe, beim Versand,
beim Empfang und bei der Paketverfolgung. Drahtlose lokale Netzwerke
verwenden Infrarot- oder Funkfrequenz-Kommunikationskanäle, um zwischen
tragbaren oder mobilen Computereinheiten und stationären Zugangspunkten
(Access-Punkten) oder Basisstationen zu kommunizieren. Diese Zugangspunkte
sind wiederum durch einen verdrahteten oder drahtlosen Kommunikationskanal
mit einer Netzwerkinfrastruktur verbunden, die Gruppen von Zugangspunkten miteinander
verbindet, um ein lokales Netzwerk zu bilden, welches optional ein
oder mehrere Host-Computersysteme
aufweist.
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Drahtlose
Infrarot- und Funkfrequenz-Protokolle (RF-Protokolle, RF = radio
frequency = Funkfrequenz bzw. Hochfrequenz) sind bekannt, die die
logische Verbindung von tragbaren Weiterschaltungsterminals bzw.
Roaming-Terminals
mit einer Vielzahl von Arten von Kommunikationsfähigkeiten für Host-Computer unterstützten. Die
logischen Verbindungen basieren auf einer Infrastruktur, bei der
zumindest einige der entfernten Terminals mit mindestens zwei der
Zugangspunkte kommunizieren können,
wenn sie innerhalb eines vorbestimmten Bereiches davon gelegen sind,
wobei jede Termi naleinheit normalerweise mit einem einzelnen der
Zugangspunkte assoziiert ist und mit diesem in Verbindung ist. Basierend
auf der gesamten räumlichen
Anordnung der Antwortzeit und der Belastungsanforderungen des Netzwerkes
sind unterschiedliche Netzwerkschemata und Kommunikationsprotokolle
ausgelegt worden, um besonders effektiv die Assoziation der mobilen
Einheit mit speziellen Zugangspunkten zu regeln, und auch die Verfügbarkeit
des Kommunikationskanals für
einzelne mobile Einheiten zum Aussenden.
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Ein
solches Protokoll wird beschrieben in den US-Patenten 5 029 183;
5 142 550; 5 280 498 und 5 668 803.
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Ein
weiteres derartiges Protokoll wird im US-Patent 5 673 031 beschrieben.
Noch ein weiteres Protokoll wird im IEEE-Standard 802.11 dargelegt, der
den Titel "Wireless
LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications" trägt (Festlegungen
für die
drahtlose LAN-Mediumzugangssteuerung
und physische Schichten), erhältlich
vom IEEE-Standards
Department, Piscataway, NJ (im Folgenden der "IEEE 802.11 Standard").
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Der
IEEE 802.11 Standard gestattet entweder Infrarot- oder Hochfrequenz-Kommunikationsvorgänge mit
Datenraten von 1 MBs und 2 MBs, eine mittlere Zugangstechnik ähnlich dem/der
Träger
abfühlenden
Mehrfachzugriff/Kollisionsvermeidung (CSM/CA = carrier sense multiple
access/collision avoidance), einem Leistungseinsparungsbetriebszustand,
der insbesondere für
Batterie betriebene mobile Einheiten wichtig ist, weiter für eine nahtlose Weiterschaltung
(Roaming) in einem voll in Zellen aufgeteilten Netzwerk, weiter
für einen
Betrieb mit hohem Durchsatz, für
Systeme mit diversen Antennen, die ausgelegt sind, um "tote Punkte" zu eliminieren,
und für
eine leichte Schnittstellenbildung für existierende Netzwerkinfrastrukturen.
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In
Europa hat das European Telecommunications Standard Institute (ETSI)
parallel an einem Protokollstandard gearbeitet, der HIPERLAN (European High
Performance LAN) betitelt ist, und zwar für drahtlose Netzwerksysteme
mit vielen Daten. Das Frequenzspektrum für HIPERLAN in den 5 GHz- und 17
GHz-Bändern
ist von der European Conference of Postal and Telecommunications
Administrations (CEPT) zugewiesen worden, und zwar mit einer vorgeschlagenen
Datenrate von über
20 MBit/s. Das IEEE 802.11 Komitee betrachtet auch gegenwärtig Erweiterungen
des IEEE 802.11 Standards, die genauso optionale höhere Datenraten
vorsehen.
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Der
IEEE 802.11 Standard sieht diese Arten von MAC-Frame-Steuerungen,
Daten und Management vor. Alle Steuer-Frames (Steuerfenster) werden mit
einer der vorgegebenen PHY-Raten übertragen, typischerweise 1
MB/s, so dass sie von allen Stationen verstanden werden. Die anderen
Frames werden mit einer der Raten im Basisratensatz unter dem Standard übertragen.
Der Algorithmus zur Ausführung
einer Ratenumschaltung liegt außerhalb
des Bereichs des Standards.
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Der
Ausdruck "Roaming" bezieht sich auf mobile
Einheiten, die mit unterschiedlichen Zugangspunkten assoziiert sind.
Jede mobile Einheit analysiert empfangene Signale von Zugangspunkten,
um diese zu identifizieren und mit einem auswählbaren Zugangspunkt zu assoziieren.
Analog zu Zellen in einem in Zellen aufgeteilten Telefonnetzwerk
kann die Region um einen gegebenen Zugangspunkt auch als "Zelle" bezeichnet werden.
Das Roaming zwischen den Zellen sieht eine große Flexibilität vor und
ist insbesondere vorteilhaft bei Stellen, die schwierig zu verdrahten
sind, weiter für
eine einfache neue Anordnung der Arbeitsstationen und fürtragbare
Arbeitsstationen.
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Obwohl
der IEEE 802.11 Standard die Basispaketarten vorsieht, die ein Roaming
ermöglichen, legt
er tatsächlich
nicht den Roaming-Algorithmus fest. Gemäß dem Standard bestimmt die
mobile Einheit den Zugangspunkt, mit dem sie eine Verbindung eingehen
wird, und der Zugangspunkt muss die mobile Einheit akzeptieren,
außer
wenn der Zugangspunkt defekt ist oder gewisse Alarm-Bedingungen vorhanden
sind, wie beispielsweise ein voller Speicher. Es gibt jedoch keinen
Vorschlag wie, oder durch welches Kriteri um, außer den oben erwähnten Kriterien,
die mobile Einheit einen geeigneten Zugangspunkt oder einen optimalen
Zugangspunkt auswählen
könnte.
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WO
97 21294 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung
der Leistung eines Zellenkommunikationssystems, die Spreizspektrumtechniken
mit direkter Sequenz verwenden. Die Vorrichtung und das Verfahren
ermöglichen
eine dynamische Modifikation der Parameter des Kommunikationssystems
einschließlich
einer PN-Codelänge, einer
Chiprate und einer Modulationstechnik für die Übertragung eines Datenpaketes.
Die Modifikation basiert auf der Nähe des Senders und des Empfängers, auf
den Eigenschaften des Senders und des Empfängers und auf anderen Faktoren.
Das System bewertet die Kompromisse von Datenübertragungsgeschwindigkeit
und Kommunikationsbereich, um die Systemleistung zu verbessern.
Wenn ein mobiles Terminal eine Antwort von mehr als einer Basisstation
während
eines Registrierungsprozesses empfängt, kann das Terminal eine
Basisstation basierend auf den vorbestimmten Kriterien auswählen, wie
beispielsweise der Systembelastung.
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WO
94 27382 A offenbart ein Kommunikationssystem, bei dem mehrere lokale
Netzwerke, die unterschiedliche Charakteristiken zeigen, eingesetzt werden,
um tragbare oder mobile Computervorrichtungen zu verbinden. Funkbasisstationen,
die mit einem Backbone-LAN und mit mindestens einer mobilen Computereinheit
verbunden sind, bilden ein Hochleistungs-LAN unter Verwendung eines
Frequenzsprungprotokolls (frequency hopping). Ein LAN mit niedriger
Leistung gestattet eine Funkkommunikation zwischen einer mobilen
Computervorrichtung und Peripherievorrichtungen unter Verwendung
eines Einzelfrequenz-Spreizspektrumprotokolls. Ein Fahrzeug-LAN
sieht eine Nahbereichskommunikation zwischen Fahrzeug-Terminals
und tragbaren Terminals vor. Funkeinheiten, die an mehreren LANs teilnehmen,
verwenden das geeignete Protokoll, die geeignete Frequenz und den
geeigneten Leistungspegel zur Kommunikation in dem gesamten Kommunikationssystem.
Die Verbindungsqualität
kann verwendet werden, um eine Basisstation auszuwählen, bei
der eine Registrierung auszuführen
ist.
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US-A-5
815 811 bezieht sich auf ein präemtives
Roaming in einem drahtlosen lokalen Zellenfunknetzwerk und offenbart
ein Datenkommunikationsnetzwerk mit stationären Zugangspunkten und mobilen
Einheiten, welches mit zwei Zugangspunkten in einem voreingestellten
Bereich kommuniziert, wobei die mobile Einheit mit dem am besten
auszuwählenden
Zugangspunkt in voreingestellten Intervallen assoziiert ist, wobei
dies basierend auf der Signalqualität und dem Belastungsfaktor
an dem Zugangspunkt ausgewählt
wird. Ein Kommunikationsnetzwerk, welches ein drahtloses lokales
Zellenfunknetzwerk aufweist, weist eine Vielzahl von Zugangspunkten
auf, die mit einem aufgenommenen Computer und miteinander verbunden
sind, und eine Vielzahl von mobilen Einheiten, wobei jede mobile
Einheit zur Assoziation mit einem Zugangspunkt angeordnet ist. Die
mobilen Einheiten werden angeordnet, um periodisch den am besten
auswählbaren
Zugangspunkt zur Assoziation festzulegen, und zwar aufgrund der
Kriterien der Signalstärke
mit bester Qualität
und des Belastungsfaktors. Um zu erkennen, wann mobile Einheiten
von einem vorbestimmten Bereich entfernt werden, sind Zugangspunkte
mit einer Richtungsantenne benachbart zu Ausgangspunkten gelegen,
um zu detektieren, wann mobile Einheiten in der Nachbarschaft sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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1. Ziele der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein drahtloses lokales
Netzwerk mit mehreren Datenübertragungsraten
einzurichten.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Algorithmus
vorzusehen, der eine Auswahl eines Zugangspunktes zur Assoziation durch
eine mobile Einheit gestattet, wobei sie den Datendurchsatz maximiert.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein drahtloses
Kommunikationssystem vorzusehen, welches ein Roaming bzw. Weiterschalten
durch eine mobile Einheit über
Zugangspunkte mit unterschiedlichen Datenratecharakteristiken gestattet.
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2. Merkmale der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein Verfahren und ein Datenkommunikationsnetzwerk nach
Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 dargelegt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können
aus den abhängigen
Ansprüchen
gewonnen werden.
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Die
neuartigen Merkmale, die als kennzeichnend für die Erfindung betrachtet
werden, werden insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung
selbst wird jedoch sowohl bezüglich
ihres Aufbaus als auch bezüglich
ihres Betriebsverfahrens zusammen mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen
davon am besten aus der folgenden Beschreibung eines speziellen
Ausführungsbeispiels verständlich,
wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Es sei bemerkt, dass die Erfindung auf eine Anzahl von Arten praktisch
ausgeführt
werden kann, und dass das beschriebene Ausführungsbeispiel nicht einschränkend sein
soll.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Paketdatenkommunikationssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dir Erfindung;
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2 ist
ein Zeitsteuerdiagramm, welches Ereignisse (Hochfrequenz-Übertragung) gegenüber der
Zeit für
eine Datenübertragungssequenz
in dem System der 1 zeigt;
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3 ist
ein Blockdiagramm, welches die Schritte veranschaulicht, die von
einer mobilen Einheit während
des Dateneinstellungs- und Roaming-Prozesses ausgeführt werden;
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4 zeigt
eine Sondenansprechnachricht, die typischerweise von einem Zugangspunkt
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgesandt wird;
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches die Schritte veranschaulicht, die von
einer mobilen Einheit zur Auswahl des am besten auswählbaren
Zugangspunktes ausgeführt
werden;
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6 zeigt
schematisch die funktionellen Elemente, die die in 1 gezeigten
mobilen Einheiten bilden.
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Detaillierte
Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Datenkommunikationsnetzwerk
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Ein erstes lokales Netzwerk 100 wird
veranschaulicht, welches einen Host-Prozessor 10 aufweist,
der durch eine verdrahtete Kommunikationsverbindung 11 mit
einer Anzahl von stationären
Zugangspunkten oder Basisstationen 12, 13 verbunden
ist; andere Basisstationen 14 können mit dem Host durch die
Basisstationen oder durch eine Funk- bzw. Hochfrequenz-Verbindung
gekoppelt sein. Jede der Basisstationen 12, 13, 14 ist
durch eine Hochfrequenz-Verbindung mit einer Anzahl von entfernten
mobilen Einheiten 15 gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel
sind die entfernten mobilen Einheiten 15 in der Hand gehaltene,
Batterie betriebene Datenterminals oder Sprachkommunikationshandgeräte, wie
sie in den US-Patenten 5 029 183; 6 119 944 und 6 330 244 beschrieben
werden.
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Verschiedene
andere Arten von entfernten Terminals können vorteilhafterweise in
einem System mit den Merkmalen der Erfindung eingesetzt werden; diese
entfernten Terminals würden
normalerweise Dateneingabeeinrichtungen aufweisen, wie beispielsweise
einen Magnetkartenleser oder ähnliches, genauso
wie eine Anzeige (oder einen Drucker) um einem Anwender Informationen
zu zeigen, die von dem Terminal detektiert und/oder übertragen und/oder
empfangen wurden. In diesem Ausführungsbeispiel,
das als ein veranschaulichendes Beispiel verwendet wird, kann es
von einer bis zu vier undsechzig der Basisstationen geben (wobei
drei Stationen in der Figur gezeigt sind) und bis zu mehrere hundert
der entfernten Einheiten. Natürlich
kann das Netzwerk ausgeweitet werden, indem man einfach die Größe der Adressfelder
und so weiter in dem digitalen System verändert, wie es offensichtlich
sein wird, jedoch ist ein begrenzender Faktor der Funkverkehr und
die damit einhergehenden Verzögerungen beim
Warten auf einen ruhigen Kanal.
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Das
erste LAN 100 kann mit zusätzlichen LANs 200, 300, 400 und
so weiter durch Steuervorrichtungen gekoppelt sein, wie beispielsweise
Brücken 50, 60 und
so weiter oder durch Router bzw. Weiterleitungseinrichtungen 55, 65, 75, 85, 95, 105 und
so weiter. Dieses Kommunikationsnetzwerk, wie es in 1 zu
sehen ist, würde
normalerweise in einer Herstellungseinrichtung, in einem Bürogebäudekomplex,
in einem Warenhaus, in einer Handelseinrichtung oder in einer ähnlichen
kommerziellen Einrichtung oder einer Kombination von diesen Einrichtungen
verwendet werden, wo Datenaufnahmeterminals zur Inventurkontrolle
in einem Lagerraum oder in Empfangs/Versand-Einrichtungen bei Kassenschaltern (POS-Schaltern,
POS = point of sale), zum Lesen von Formularen oder Rechnungen oder ähnlichem,
für die
Sicherheitsüberprüfung von
Personal an Toren oder anderen Zugangspunkten, an Zeituhren für die Herstellungs-
oder Produktflusskontrolle und bei vielen anderen Anwendungen verwendet werden
würden.
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Obwohl
in der Hand gehaltene Laserscanner-Strichcodelesedatenterminals
erwähnt
werden, können
die Datenterminals auch Strichcodeleser der CCD- oder Stab-Bauart aufweisen und können stationär und nicht
in der Hand gehalten sein. Die mobilen Einheiten 15 können auch
Sprachkommunikationshandgeräte,
Pager bzw. Nachrichtenempfänger, Standbild-
oder Videokameras oder irgendeine Kombination der vorangegangenen
Geräte
sein. Andere Arten von Datenaufnahmevorrichtungen können als Terminals
bzw. Eingabevorrichtungen verwendet werden und die Merkmale der
Erfindung verwenden, wie beispielsweise die Temperatur, den Druck
oder andere Um gebungseinflüsse
messende Vorrichtungen, Ereigniszähler, sprach- oder schallaktivierte Vorrichtungen,
Eintrittsdetektoren usw.
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Gemäß einem
wichtigen Merkmal von einem Auführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Hochfrequenz-Paketkommunikationsprotokoll
zwischen den entfernten Einheiten und den Basisstationen vorgesehen,
und dieses weist einen Sende/Empfangs-Austausch auf, der im Folgenden
einfach als "Austausch" bezeichnet wird.
Dieses Protokoll ist ähnlich
dem kollisionsabfühlenden
Mehrfachzugriff (CSMA = collision-sense multiple access), und zwar dahingehend,
dass eine Einheit zuerst lauscht, bevor sie sendet, und nicht sendet,
wenn der Kanal nicht frei ist. Wie in 2 zu sehen,
beginnt dieser Austausch immer mit einem von der entfernten Station zur
Basis übertragenen
Paket, welches darstellt, dass eine Hochfrequenz-Übertragung
von einer entfernten Einheit durch die Basisstation innerhalb des Bereiches
aufzunehmen ist. Dem übertragenen
Paket folgt nach einem festen Zeitintervall eine von der Basis zur
entfernten Einheit übertragene
Hochfrequenz-Information,
die von der Basisstation übertragen
wird, die diese spezielle entfernte Einheit bedient. Jedes dieser
Pakete ist von fester Zeitsteuerung; ein Sender/Empfänger in
einer entfernten Einheit beginnt einen Austausch auf seine eigene
Initiative, indem er zuerst bezüglich
eines weiteren Verkehrs (traffic) für ein kurzes Intervall t0 lauscht (typischerweise 0,3 ms) und wenn
der Hochfrequenz-Kanal ruhig ist, beginnt er eine Übertragung
zu einem Zeitpunkt nach seiner eigenen Auswahl (asynchron zu irgendeiner
Taktperiode der Basisstationen oder des Host-Computers). Dieses
herausgehende Übertragungspaket
dauert eine Zeit t1 an, wie in der Figur zu
sehen, und in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist diese Periode
4,8 ms. Dann beginnt zu einer präzisen
Zeitverzögerung
t2, nachdem er die Übertragung gestartet hat (beispielsweise
5 ms nach dem Beginn von t1) der Sender/Empfänger bzw. Transceiver,
auf das Rückpaket
von der Basisstation zu lauschen bzw. zu warten. Der Sender/Empfänger spricht
in der entfernten Einheit nur auf den Empfang des Paketes an, das
in einem sehr starren Zeitfenster t3 von
einer Länge
von wenigen Millisekunden beginnt, und wenn das Paket während dieses
Fensters nicht gestartet ist, dann wird ir gendetwas Folgendes ignoriert.
Das Paket ist ein Bestätigungssignal
und enthält
auch Daten, wenn die Basisstation irgendeine Nachricht hat, die
darauf wartet, gesendet zu werden.
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Die
Schritte, die von einer mobilen Einheit 15, die noch nicht
gegenwärtig
mit einem Zugangspunkt assoziiert ist, bei der Auswahl eines Zugangspunktes
ausgeführt
werden, sind in stark vereinfachter Form in 3 gezeigt.
In 3 sendet die mobile Einheit (MU = mobile unit)
(zuerst im Schritt 6 erwähnt) ein Sondenpaket zu allen
Zugangspunkten (APs = access points), typischerweise mit der niedrigsten
Datenrate, mit der es anderenfalls mit dem Netzwerk anzuwenden ist.
Das Sondenpaket enthält die
Quelladresse der mobilen Einheit, hat jedoch keine Bestimmungsadresse,
und daher keinen Zugangspunkt, der das Sondenpaket detektiert, und kann
mit der gleichen Datenrate antworten, mit der eine Antwort gesandt
werden muss. Entsprechend wird das Sondenpaket von allen Zugangspunkten
innerhalb des Bereiches detektiert (Schritt 7), und ein Untersatz
von diesen Zugangspunkten sendet ein Sondenantwortpaket aus (Schritt 8).
Eine Bewertung der Signalqualität
und möglicherweise
von anderen Faktoren wird von der mobilen Einheit der Kommunikationseinrichtung
ausgeführt,
wie im Folgenden beschrieben wird, und zwar mit den am besten auswählbaren
Zugangspunkten (falls vorhanden) mit der höchsten Datenrate. Wenn solche
Kommunikationsvorgänge
akzeptabel sind, wird die mobile Einheit mit dem ausgewählten Zugangspunkt
eine Assoziation herstellen (Schritt 9).
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Wenn
die mobile Einheit mit einem Zugangspunkt assoziiert ist und mit
einer niedrigeren Datenrate arbeitet als mit der höchsten Datenrate,
dann wird sie abhängig
von den (unten zu beschreibenden) Leistungsstatistiken eine Aktualisierungssonde bzw.
Sondierungssendung mit vorbestimmten Intervallen ausführen, um
zu sehen, ob sie mit einer höheren
Datenrate mit einem neuen Zugangspunkt arbeiten kann. Ein solches
Roaming bzw. Weiterschalten auf einen neuen Zugangspunkt wird typischerweise angetroffen,
wenn die mobile Einheit in einen Bereich und aus einem Bereich der
Umgebung des Netzwerkes von Zugangspunkten bewegt wird.
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Wenn
die mobile Einheit schon mit einem Zugangspunkt assoziiert ist und
mit einer höheren
Datenrate arbeitet als der niedrigsten Datenrate, jedoch eine schlechte
Leistung erfährt,
wird Sie eine Aktualisierungssondierung in vorbestimmten Zeitintervallen
ausführen,
um zu sehen, ob sie zu einem anderen Zugangspunkt mit der gleichen
oder mit einer höheren
Datenrate weiterschalten bzw. roamen kann. Ein solches Roaming auf
einen neuen Zugangspunkt wird typischerweise angetroffen, wenn die
mobile Einheit in einem Bereich von beispielsweise der Umgebung
des Netzwerkes von Zugangspunkten oder aus diesem Bereich hinaus
bewegt wird.
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Die
Form des Sondierungsantwortpaketes ist in 4 gezeigt.
Die darin enthaltene Information weist die Zugangspunktadresse,
das Weiterschaltungs- bzw.
Hopping-Muster, den gegenwärtigen
Kanal, die in dem Kanal übrige
Zeit und in anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung optional den Belastungsfaktor (der unten genauer besprochen
wird) und irgendwelche andere Zeitsteuerinformation auf, die erforderlich
sein kann. Mit Bezug auf 3 berücksichtigt die mobile Einheit
den Untersatz von verfügbaren
Zugangspunkten, mit denen sie eine Verbindung einrichten kann, und
zwar basierend auf einer Bewertung der Signalqualität der Antwortpakete,
die sie empfängt.
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Als
nächstes
mit Bezug auf 5 bewertet die mobile Einheit
bei jeder Datenrate den am besten auszuwählenden Zugangspunkt in der
folgenden Weise und berücksichtigt
diese Punkte:
Wenn jede Sondierungspaketantwort (PPR = probe packet
response) empfangen wird 16, wird die Signalqualität der Antwort
gemessen durch Bestimmung der Anzeige der empfangenen Signalstärke (RSSI
= received signal strength indication) 17. Zur Bezugnahme
variieren RSSI-Werte im Allgemeinen von 25 bis 60,
wobei gute Kommunikationsvorgänge über ungefähr 35 auftreten.
In der Praxis wird anstatt, dass man sich auf einen einzigen augenblicklichen
Wert verlässt,
die RSSI-Information für
jeden Zugangspunkt zusammen mit anderen Leistungsstatistiken in einer
Tabelle in dem Speicher der mobilen Einheit angeordnet und wird
jedes Mal dann aktualisiert, wenn ein Sondierungsantwortpaket von
dem Zugangspunkt empfangen wird. Um die Fluktuation des RSSI-Wertes
zu minimieren, wird jeder Zugangspunkt in der Tabelle über eine
vorbestimmte Anzahl von Antworten gemittelt. Es ist herausgefunden
worden, dass große
Variationen der RSSI-Werte für
einen gegebenen Zugangspunkt aufgezeichnet worden sind, auch wenn
sie von einer stationären
mobilen Einheit gemessen wurden, und die Mittelwertbildung wird verwendet,
um den Bereich von Werten zu reduzieren, und das "slow thrashing" zu minimieren. Beim "thrashing" stellt eine mobile
Einheit zuerst eine Verbindung mit einem ersten Zugangspunkt her,
roamt bzw. schaltet dann zu einem zweiten Zugangspunkt nach einer
kurzen Zeitperiode und dann zu weiteren Zugangspunkten in zufälliger Weise
ohne irgendeine lange Einbuchung bei einem einzelnen Zugangspunkt;
der Ausdruck "slow
thrashing" (langsames
Thrashing) kann entsprechend interpretiert werden. Die Durchschnittsberechnung
kann den Schritt aufweisen, Werte außerhalb eines gegebenen Bereiches wegzulassen,
beispielsweise zehn oder mehr Zählungen
unter dem durchschnittlichen RSSI-Wert.
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Sobald
die RSSI-Werte berechnet worden sind, wird eine "auswählbare
Gruppe" von Zugangspunkten
ausgewählt 18,
die alle Zugangspunkte mit einem RSSI-Wert von nicht mehr als sechs
Zählern unter
dem besten detektierten RSSI-Wert aufweisen. Aus dieser Gruppe wird
der Zugangspunkt mit dem niedrigsten Lastfaktor (LF) bestimmt 19, 20.
Der Lastfaktor ist ein Maß dafür, wie viele
mobile Einheiten gegenwärtig
mit einem gegebenen Zugangspunkt assoziiert sind; im gegenwärtigen Fall
wird der Lastfaktor durch einen einfachen numerischen Wert dargestellt,
der die genaue Anzahl der assoziierten mobilen Einheiten darstellt.
Der so ausgewählte
Zugangspunkt ist der am besten auswählbare Zugangspunkt, und die
mobile Einheit wählt
dann diesen Zugangspunkt für
eine Zuordnung. Wenn mehr als ein Zugangspunkt innerhalb der auswählbaren
Gruppe den gleichen Lastfaktor zeigt, dann wird der Zugangspunkt
mit dem höchsten
RSSI-Wert als der am besten auszuwählende Zugangspunkt ausgewählt, und
die mobile Einheit stellt eine Verbindung mit diesem Zugangspunkt
her.
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Die
mobilen Einheiten sind programmiert, um eine Aktualisierungssondierung
zu vorbestimmten Intervallen auszuführen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
führt jede
mobile Einheit eine volle Abtastung aus, wobei sie alle neunundsiebzig
Kanäle sondiert,
und zwar beim Einschalten und alle dreißig Sekunden. Das Sondierungsantwortpaket,
welches von einem Zugangspunkt übertragen
wird, enthält alle
notwendigen Synchronisationsinformationen für eine mobile Einheit, um auf
den gegenwärtigen
Kanal des Zugangspunktes zu verriegeln bzw. einzubuchen, und um
dem Unschaltungsmuster bei irgendeiner Stufe zu folgen. In einem
alternativen Ausführungsbeispiel
wird der RSSI-Wert für
den Zugangspunkt nicht aus der Stärke des Sondierungsantwortsignals
berechnet, sondern aus der Stärke
des "Signalpakets" berechnet, das von
dem Zugangspunkt ausgegeben wird. Jeder Zugangspunkt gibt ein Signalpaket
alle 100 ms aus, welches zusätzlich
zu anderen Informationen Zeitsteuerinformationen enthält, die ähnlich jenen
sind, die in dem Sondierungsantwortpaket enthalten sind. Ein geringfügig unterschiedlicher
Ansatz wird ausgeführt,
wo eine mobile Einheit gegenwärtig
mit einem Zugangspunkt assoziiert ist, wo jedoch ein Kommunikationsniveau
nicht zufrieden stellend ist. Ein nicht zufrieden stellendes Kommunikationsniveau
kann beispielsweise identifiziert werden, wenn mehr als fünfzig Prozent
erneute Versuche, zyklische Redundanzcodefehler (CRC-Fehler, CRC
= cyclic redundancy code) oder verfehlte Signale (beacons) detektiert
werden. In diesem Fall wird die mobile Einheit erneut verbinden
und zwar unter Verwendung der in den 3 und 5 veranschaulichten
Schritte, außer
dass der Zugangspunkt, bei dem die mobile Einheit schlechte Kommunikationsvorgänge erfahren
hat, aus der auswählbaren
Gruppe von Zugangspunkten ausgeschlossen sein wird (siehe Schritt 18 der 5).
Der auswählbare
Zugangspunkt kann jedoch nach entsprechendem Verlauf wieder zur
auswählbaren
Gruppe zugelassen werden, nachdem eine Abfolge von akzeptablen RSSI-Werten
beobachtet worden ist. Es sei bemerkt, dass eine mobile Einheit,
die einen schlechten Kommunikationsvorgang erfährt, nur erneut eine Verbindung
herstellen wird, wenn ein auswählbarer
Zugangspunkt identifiziert ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel,
bei Fällen,
wo eine mobile Einheit kein nicht zufrieden stellendes Kommunikationsniveau
erfährt
(wie oben definiert), trifft es eine Roaming-Entscheidung zu vorbestimmten
Zeiten. Wiederum werden die oben mit Bezug auf 6 beschriebenen
Schritte ausgeführt,
jedoch mit den folgenden Modifikationen:
- 1.
Der gegenwärtige
Zugangspunkt wird in die auswählbare
Gruppe eingeschlossen, wenn der RSSI-Wert nicht mehr als elf Zähler unter
dem besten RSSI-Wert ist.
- 2. Wenn man den Zugangspunkt mit dem niedrigsten Lastfaktor
in der Gruppe auswählt,
werden Zugangspunkte mit einem Lastfaktor, der mehr als 75% des
Lastfaktors des gegenwärtigen
Zugangspunktes ist, ausgeschlossen.
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Die
zusätzlichen
Schritte ermöglichen,
dass die mobile Einheit ein "freizügiges Roaming" vermeidet, d.h.
eine zweite Zuordnung zu neuen Zugangspunkten, wenn der gegenwärtige Zugangspunkt
tatsächlich
zufrieden stellend ist.
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Das
System gestattet somit ein präemptives Roaming,
was einen dynamischen Lastausgleich gestattet, d.h., eine mobile
Einheit kann eine erneute Zuordnung zu einem neuen Zugangspunkt
ausführen,
obwohl sie keine schlechten Kommunikationsvorgänge mit einem gegenwärtigen Zugangspunkt erfährt, wobei
jedoch der neuere Zugangspunkt beträchtlich verbesserte Kommunikationsvorgänge bieten
wird. Die Möglichkeit,
dass eine mobile Einheit den Kontakt mit einem Zugangspunkt insgesamt
verliert und Perioden erfährt,
wo sie nicht mit irgendwelchen Zugangspunkten kommuniziert, kann
somit vermieden werden.
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Zusätzlich ist
das System verbessert worden durch Einstellung der Empfindlichkeit,
so dass eine mobile Einheit nicht dazu tendieren wird, von einem gegenwärtigen assoziierten
Zugangspunkt zu einem anderen mit der Rate zu roamen, die sie anderenfalls hätte, wobei
die Signalstärken
von verschiedenen Zugangspunkten eine ähnliche Größe haben. Entsprechend wird
eine größere Stabilität erreicht.
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Bei
einer weiteren Modifikation kann das Sondierungspaket eine Identifikation
des Zugangspunktes aufweisen, mit dem die mobile Einheit gegenwärtig assoziiert
ist, beispielsweise die BSS-Identifikation. Eine solche Anordnung
wäre zuverlässiger als
die Nachrichten, die zwischen Zugangspunkten geleitet werden, die
erneut zugeordnete Ereignisse weiterleiten.
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Durchsatzmaximierung
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Das
gesamte Ziel des dynamischen Ratensteueralgorithmus ist, den Durchsatz
für jede
mobile Einheit (MU) zu maximieren, die in einem drahtlosen Netzwerk
arbeitet, welches mehrere Zugangspunkte (APs = access points) enthält. Zwei Übertragungsraten
sind gegenwärtig
innerhalb des IEEE 802.11 Standards, 1 und 2 MBit/s und wir werden
diese beiden Raten als Beispiele in der folgenden Beschreibung verwenden.
Im Allgemeinen ist jedoch die vorliegende Erfindung auch auf Systeme
mit mehr als zwei Raten anwendbar. Wir nehmen an, dass jede mobile
Einheit mehr als eine Rate ausführen
kann, jedoch eine "gegenwärtig ausgewählte" Übertragungsrate haben wird.
Leistungsstatistiken werden von der mobilen Einheit aufgezeichnet,
während
sie mit einer gegebenen Rate arbeitet; beispielsweise ein Prozentsatz
von erneuten Sendeversuchen (d.h. kein Erkennungs-Frame wurde folgend
auf eine Sendung empfangen). Wenn die Leistungsstatistiken gewisse Schwellen
erreichen oder überschreiten
wird eine Zustandsänderung
in der mobilen Einheit auftreten, und zwar in einem Versuch, den
Durchsatz zu maxmieren (KByte/s der übertragenen Daten). Die vorliegende
Erfindung versucht, den Durchsatz in folgender Weise zu maximieren.
- A. Wenn man bei 2 MBit/s ist und die Leistungsstatistiken "schlechte Qualität" anzeigen, wird die mobile
Einheit versuchen, von einem Zugangspunkt zum nächsten zu roamen bzw. weiterzuschalten,
um die Leistung mit 2 MBit/s aufrecht zu erhalten. Das Roaming-Verfahren ist wie
jenes, welches unten beschrieben wird, wobei die RSSI- und Lastnivellierungsfaktoren
bei der Auswahl des "besten" Zugangspunktes berücksichtigt
werden. Jedoch sind zusätzlich
nur Zugangspunkte auswählbar,
die die Rate von 2 MBit/s unterstützten können.
- B. Wenn man bei 2 MBit/s ist und die Leistungsstatistiken "schlechte Qualität" anzeigen, und die mobile
Einheit nicht zu einem Zugangspunkt roamen konnte, der die Rate
von 2 MBit/s unterstützt, wird
die "gegenwärtige ausgewählte" Rate von 2 auf 1
MBit/s reduziert, und sie wird mit dem gegenwärtigen Zugangspunkt assoziiert
bleiben. Wie unten beschrieben, haben die Übertragungen von 1 MBit/s einen
größeren Bereich
(Distanz zwischen einer mobilen Einheit und einem Zugangspunkt)
als die Übertragungen
von 2 MBit/s. Die Annahme ist, dass die schlechte Qualität aufgrund
des Bereiches vorhanden ist, und dass durch Verringerung auf 1 Mbit
die Wiederversuchsrate sinken wird und der gesamte Durchsatz steigen
wird.
- C. Wenn man bei 1 MBit/s ist und die Leistungsstatistiken "gute Qualität" anzeigen und die
mobile Einheit die Rate von 1 MBit/s für eine ausreichende Periode
hatte, um extrem schnelle Ratenveränderungen (Thrashing) zu eliminieren,
wird die "gegenwärtig ausgewählte" Rate von 1 auf 2 MBit/s
gesteigert. (Es sei bemerkt, dass es möglich ist, dass die Position
der mobilen Einheit relativ zum Zugangspunkt wiederum eine schlechte Leistung
bei 2 MBit zur Folge haben wird. Wenn dies so ist, kann die mobile
Einheit darauf folgend gezwungen sein, wieder auf ein MBit zurückzufallen,
d.h. Slow Thrashing. Wenn jedoch die Mobile Einheit tatsächlich mobil
ist, wird sich dieser Zustand schließlich verändern.)
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Übertragungsbereich
und Übertragungsrate
-
Wie
oben erwähnt,
haben mobile Einheiten, die mit Sendungen mit 1 MBit arbeiten, einen
größeren Bereich
als mobile Einheiten, die mit einer Datenübertragungsrate bei 2 MBit
arbeiten. Um die Folge aus dieser Tatsache abzubilden, stelle man
sich eine Figur vor, die vier Zugangspunkte abbildet, und ihre jeweiligen
Abdeckungsbereiche sowohl bei Übertragungsraten
von 1 als auch von 2 MBit (es sei bemerkt, dass der effektive Bereich
von einem Zugangspunkt zu einer mobilen Einheit als ebenso wie der
Bereich von der mobilen Einheit zum Zugangspunkt angenommen wird).
Man setze die Zugangspunke an die Ecken eines Quadrates mit 4 Inch.
Man ziehe einen Kreis um jeden Zugangspunkt mit einem Radius von
3 Inch. Dies ist der Bereich der "guten Leistung" bei 2 MBit. Es sei bemerkt, dass die
Kreise überlappen,
was anzeigt, dass die mobile Einheit in diesem Bereich mit 4 Zugangspunkten
herumlaufen könnte
und eine gute Leistung von 2 MBit beibehalten könnte. Nun ziehe man einen zweiten
Kreis um jeden Zugangspunkt mit einem Radius von 5 Inch. Dies ist
der maximale Bereich bei der Rate von 1 MBit. Offensichtlich werden
Anwender, die eine kontinuierliche Leistung mit 2 MBit wünschen,
Zugangspunkte installieren müssen
und sie näher
aneinander positionieren müssen,
um eine kontinuierliche Abdeckung von 2 MBit zu erhalten. Es ist
das Merkmal des Roaming-Algorithmus der vorliegenden Erfindung, dass
er zu einem Zugangspunkt roamt bzw. schaltet, um eine Abdeckung
von 2 MBit aufrecht zu erhalten, falls möglich, und zwar viel mehr als
die Übertragungsrate
zu verringern, um den Bereich zu steigern. Zusätzlich hat der kombinierte
Roaming/Dynamik-Ratensteueralgorithmus auch die Vorkehrungen zur
Steigerung und Verringerung der Übertragungsraten,
wenn ein Roaming zum Halten der Leistung mit 2 MBit nicht möglich ist.
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Schlechte Leistung bei
2 MBit
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Gemäß den Kriterien
beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung tritt eine schlechte Leistung bei 2 MBit
auf, während
man bei 2 MBit sendet, wenn eine der folgenden zwei Bedingungen
auftritt:
- A) Die Übertragungswiederversuchsrate
bei 2 MBit ist größer oder
gleich 35%, und es hat eine statistisch signifikante Anzahl von
Sendeversuchen (beispielsweise 30) innerhalb einer Bewertungsperiode
von 10 Sekunden gegeben.
- B) Acht aufeinander folgende nicht erfolgreiche Übertragungsversuche
bei 2 MBit. (Dieses Kriterium spricht nicht den Fall mit wenig Verkehr
bzw. Traffic an.)
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Natürlich können andere ähnliche
oder äquivalente
Kriterien verwendet werden, oder diese Kriterien können variiert
werden, und zwar abhängig
von der Anwendung oder von anderen Leistungsbetrachtungen, und dies
liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
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Wie
oben erwähnt,
wird, wenn eine schlechte Leistung bei 2 MBit angetroffen wird,
eine mobile Einheit zuerst versuchen, zu einem Zugangspunkt zu roamen
bzw. weiterzuschalten, der eine fortgesetzte Leistung bei 2 MBit
unterstützen
wird, und falls dies nicht erfolgreich ist, wird sie ihre "gegenwärtig ausgewählte" Übertragungsrate auf 1 MBit
reduzieren.
- 1. Die ersten zwei Übertragungsversuche
für einen
gegebenen Daten-Frame
werden bei 2 MBit versucht (wenn 2 MBit die gegenwärtige ausgewählte Rate
für die
Daten-Frame-Übertragung sind).
Die Versuche 2 bis N werden bei 1 MBit versucht. Dies gestattet,
dass Frames "durchlaufen" bis das Kriterium
A oder B oben erfüllt
wird. Diese temporäre
Verringerung der Rate verändert
nicht die "gegenwärtig ausgewählte" Rate von 2 MBit.
- 2. Mobile Einheiten tasten periodisch nach Zugangspunkten durch
Senden von Sondierungs-Frames und durch Warten auf einen oder mehrere
Sondierungsantwort-Frames von den Zugangspunkten, die zufälligerweise
auf der gegebenen sondierten Frequenz sind. Die Sondierungs-Frames
werden normalerweise mit einer Rate von 1 MBit gesandt; Sondierungen
werden bei 2 MBit gesandt, wenn eine mobile Einheit konfiguriert
ist, um nur mit 2 MBit zu senden. Jedoch wird der Dynamik-Ratensteueralgorithmus
nur verwendet, wenn eine mobile Einheit die Option von beiden Übertragungsraten
hat. Der Sondierungsantwort-Frame enthält eine Datenstruktur, die
die Raten festlegt, die der Zugangspunkt unterstützen kann, wie in der 802.11
Spezifikation festgelegt. Diese Informationen werden für jeden entsprechenden
Zugangspunkt in einer Zugangspunkttabellendatenstruktur gespeichert,
und sie sind darauf folgend für
den Roaming-Algorithmus zur Entscheidungsfindung verfügbar.
- 3. Wenn man weg von einem Zugangspunkt aufgrund einer schlechten
Qualität
bei 2 MBit roamt, wird der gemittelte gegenwärtige RSSI-Wert des Zugangspunktes
in seinem entsprechenden Zugangspunkttabelleneintrag weggespeichert.
Der Zugangspunkt wird nicht zum Zurück-Roamen auswählbar sein, wenn der Grund
für das
Roaming ist, eine Leistung mit 2 MBit aufrecht zu erhalten, bis
sein gemittelter RSSI-Wert
um 3 RSSI-Zähler
gesteigert worden ist. (Ein abgehender durchschnittlicher RSSI-Wert
wird für
alle Zugangspunkte aufrecht erhalten, die Sondierungsantworten zu
einer gegebenen mobilen Einheit während ihrer periodischen Abtastungs/Sondierungsfunktion
senden.) Dies verhindert ein freizügiges Zurück-Roamen zu einem Zugangspunkt mit
bekannter schlechter Leistung, bei einem gegebenen Signalstärkenpegel.
Dies ist analog zu der RSSI-Schwelle mit schlechter Qualität bei 1 MBit,
die für
die Zugangspunkte aufrechterhalten wird, und die bei früheren Patentanmeldungen
beschrieben wird. Der erweiterte Roaming-Algorithmus hält zwei
RSSI-Werte mit niedriger Qualität für einen
Zugangspunkt, wobei einer ein Roaming auf den Zu gangspunkt für eine Leistung
bei 2 MBit verhindert, und wobei einer das Roaming auf den Zugangspunkt
verhindert, auch wenn die Leistung bei 1 MBit akzeptabel wäre.
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Umschaltung von 1 auf
2 MBit/s:
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Eine
mobile Einheit wird ihre "gegenwärtige ausgewählte" Rate von 1 auf 2
MBit/s immer dann umschalten, wenn eines der folgenden Kriterien
erfüllt
wird:
- A) Die Übertragungswiederversuchsrate
bei 1 MBit ist geringer als 7% und es hat eine statistisch signifikante
Anzahl von Übertragungs-Samples bzw. Übertragungsversuchen
(beispielsweise 30) innerhalb einer Bewertungsperiode von 10 Sekunden
gegeben.
- B) Die Übertragungswiederversuchsrate
bei 1 MBit ist geringer als 7% und die Rate bei 1 MBit ist für mindestens
30 Sekunden effektiv gewesen. (Spricht die Situation mit geringem
Verkehr an.)
- C) Die Zelle hat starken Verkehr (500 Frame-Detektionen innerhalb
10 Sekunden), und die Rate mit 1 MBit ist für die letzten 30 Sekunden wirksam gewesen.
(Spricht den Fall an, wo die Wiederversuchsrate bei 2 MBit aufgrund
von Übertragungskollisionen
und nicht aufgrund des Bereiches auftritt.)
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Leistungseinsparungsmerkmale
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Die
mobilen Einheiten können
eine Anzahl von Leistungseinsparungsmerkmalen aufweisen, die darauf
gerichtet sind, die Batterielebensdauer zu maximieren. Diese Merkmale,
die als "Leistungseinsparungsprotokolle" (PSP = power saving
protocols) bekannt sind, werden nun genauer beschrieben, und sie
sind unabhängig
von der Funktionalität
der Datenratensteuerung.
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Das
Leistungseinsparungsprotokoll kann mit Bezug auf ein erweitertes
Blockdiagramm einer mobilen Einheit 15 beschrieben werden,
wie in 6 gezeigt. 6 veranschaulicht
zwei Abschnitte der mobilen Einheit, einen Funkabschnitt 30 und
einen Terminal-Abschnitt 40.
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Der
Funkabschnitt 30 weist eine Sender/Empfängerfunkeinrichtung 31 auf,
die mit einer Antenne 32 verbunden ist. Die Funkeinrichtung
ist auch mit einer Schaltung verbunden, die im Allgemeinen als ASIC 33 dargestellt
ist (ASIC = application specific integrated circuit = anwendungspezifische
integrierte Schaltung) die eine einzelne integrierte Schaltung oder
mehrere integrierte Schaltungen sein kann, die einen Mikroprozessor,
einen Speicher zum Speichern von Firmware-Programmen, statischen Arbeitsspeicher
bzw. RAM (RAM = random access memory) und/oder anwendungsspezifische
integrierte Schaltungen zur Ausführung
einer Anzahl von Medienniveauzugangsprotokollfunktionen (MAC-Protokollfunktionen,
MAC = media level access) auszuführen,
und die MAC/PHY-Protokollschnittstelle auszuführen.
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Insbesondere
wird die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 33 die
Funktionen der Erkennung der Datenrate der hereinkommenden ausgestrahlten
Signale ausführen,
die von der Funkeinrichtung 31 empfangen wurden, und sie
wird diese Signale mit der geeigneten Datenrate verarbeiten. Insbesondere
würde dies
in Zusammenhang mit dem 802.11 Standard die Untersuchung der Paketüberschrift
für das
Bitratenfeld aufweisen.
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Die
anwendungsspezifische integrierte Schaltung 33 funktioniert
auch, um den Datenratenalgorithmus einzurichten, der oben und in
den 4 und 5 beschrieben wird.
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Der
Terminal-Ausschnitt 40 weist eine Schnittstelle 41 zum
Funkabschnitt 30 auf, und eine Batterie 48, die
sowohl den Terminal-Abschnitt 40 als auch den Funkabschnitt 30 mit
Leistung versorgt. Der Terminal-Abschnitt 40 weist typischerweise
ein Dateneingabetastenfeld, einen berührungsempfindlichen Bildschirm
oder eine Tastatur 42, eine Anzeige 43, eine CPU 44 (die
den gespeicherten Programmspeicher aufweist) und optional ein Mikrofon 45,
Lautsprecher 46 und eine CODEC/DSP-Schaltung 47 für die Sprachverarbeitung
auf, um zu gestatten, dass die mobile Einheit 15 Sprachkommunikationsfähigkeiten
bietet.
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Das
Leistungseinsparungsprotokoll macht Anwendung von einer Anzahl von
unterschiedlichen Algorithmen, die alle auf dem Ansatz des Ausschaltens
der Funkeinrichtung und der CPU basieren, die beide eine beträchtliche
Menge an Leistung verbrauchen, und weiter auf dem Anhalten des ASIC-Taktes im Funkabschnitt 30,
während
man auf die nächste Nachricht
vom Zugangspunkt wartet. Es sei daran erinnert, dass das Basisnachrichtensteuersystem
in der IEEE 802.11 Protokollspezifikation definiert ist, und die
Anwendung von Signalnachrichten mit Verkehrs- bzw. Traffic-Indikatorkarten
und eine Abrufnachricht zur Anforderung der Übertragung von Daten mit einbezieht.
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Die
verschiedenen PSP-Algorithmen (PSP = Leistungseinsparungsprotokoll)
sind derart definiert, dass sie einen vom Anwender zu definierenden
Kompromiss zwischen der Leistung und dem Niveau der Leistungseinsparung
gestatten.
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Der
erste Algorithmus ist ein statischer Algorithmus, der die Funkeinrichtung 31 gerade
rechtzeitig aufweckt, um jedes ausgesandte Signal zu empfangen.
Auch wenn der ASIC-Takt (ASIC = anwendungsspezifische integrierte
Schaltung) in dem Funkabschnitt heruntergefahren worden ist, hält das System
immer noch eine Zeitaufzeichnung unter Verwendung des CMOS-Taktes 35 aufrecht,
welches durch seine eigene Miniatur-Batterie 36 mit Leistung versorgt
wird. Ein ähnlicher
zweiter Algorithmus weckt die Funkeinrichtung 31 rechtzeitig
auf, um jedes andere Signal zu empfangen. In ähnlicher Weise schalten die
Algorithmen 3 bis 10 die Funkeinrichtung rechtzeitig ein, um jeweils
jedes dritte bis jedes zehnte Signal zu empfangen.
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Ein
anderer Algorithmus, der als "Algorithmusnummer
11" bekannt ist,
ist dynamisch und gestattet, dass die Aktivierungssignale (Wake
Up-Signale) auf dem tatsächlichen
Nachrichtenverkehr basieren. Immer wenn die Funkeinrichtung 31 eine Nachricht
sendet oder immer wenn sie eine Nachricht empfängt, stellt sie das Wake Up-
bzw. Aktivierungsintervall auf einen minimalen Wert (üblicherweise
zur rechtzeitigen Aktivierung, um jedes erwartete Signal zu empfangen).
Dies sorgt für
ein schnelles Ansprechen, solange der Verkehr kontinuierlich ist,
oder zumindest fast. Wenn keine Aktivität detektiert wird, sorgt der
Algorithmus dafür,
dass das Aktivierungsintervall allmählich verringert wird, typischerweise
linear bis zu einem maximalen Wert von 10; anders gesagt, an diesem
Punkt wird die Funkeinrichtung gerade rechtzeitig aufgeweckt, um
jedes zehnte Signal (beacon) zu empfangen. Alternativ kann der Algorithmus
anstatt die Verzögerung
linear zu steigern (Intervalle 1, 2, 3 ...) auf einem Maximum für eine vordefinierte
Periode bleiben, wobei die Verzögerung
auf einen maximalen Wert ansteigt, sobald die Periode nur erreicht
worden ist.
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Noch
ein weiterer Algorithmus, der als Algorithmus Nummer 12 bekannt
ist, sieht eine noch höhere
Leistung vor. In diesem Algorithmus wird eine Aufzeichnung des Nachrichtenverkehrs
gehalten (basierend beispielsweise auf der Anzahl der Nutzlast-Bytes
oder der Anzahl der Nachrichten), und wenn eine Schwelle überschritten
wird, wird die Funkeinrichtung dann in den kontinuierlichen Betriebszustand
geschaltet. Solange ein signifikanter Verkehr verarbeitet wird,
entweder herausgehend oder hereinkommend, wird die Funkeinrichtung
im kontinuierlichen Betriebszustand bleiben. Wenn jedoch der Verkehr
unter die vorbestimmte Schwelle für eine gewisse Anzahl von Sekunden
(beispielsweise 5 Sekunden) fällt,
schaltet das System dann zurück
zum Algorithmus Nummer 11.
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Für alle der
zuvor erwähnten
Algorithmen ist die Zeit für
das nächste
Signal natürlich
präzise
bekannt, und kann berechnet werden, so dass die Funkeinrichtung
gerade rechtzeitig eingeschaltet werden kann, um das Signal zu empfangen.
Wenn das Signal in dem Zugangspunkt 5 angezeigt wird (bei spielsweise
aufgrund des zuvor existierenden Verkehrs) wird dann die Funkeinrichtung 31 für eine gewisse
vorbestimmte Zeitperiode aktiv bleiben, um sicherzustellen, dass
das Signal empfangen wird.
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Vorzugsweise
respektieren alle mobilen Einheiten die erwartete Zeit des Signals
und senden keine Nachrichten, die bewirken könnten, dass die Zeitsteuerung
des Signals verzögert
wird.
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Wenn
eine mobile Einheit ein Signal verpasst (entweder weil es nicht
gehört
wird oder weil es mit einem Fehler empfangen wird), plant die Einheit
automatisch einen Aufwachvorgang für das nächste Signal, auch wenn es
normalerweise nicht erwartungsgemäß für dieses spezielle Signal basierend
auf dem gegenwärtig
in Anwendung befindlichen Algorithmus warten würde. Dies gestattet eine schnelle
Erholung von Nachrichtenfehlern und hilft auch dabei, zu detektieren,
dass der Zugangspunkt 5 Signale in einer minimalen Zeitdauer überträgt oder
nicht.
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Die
mobile Einheit kann in eine Anzahl von Betriebszuständen oder
Betriebsarten zum Management zum Status der Funkeinrichtung 31 und
der Schnittstelle zum Terminal gehen. Um die Leistung zu minimieren,
wird die Funkeinrichtung 31 nur angeschaltet, wenn eine
Aktivität
der Funkeinrichtung erforderlich ist, auch wenn die Funkstation 30 selbst eingeschaltet
werden muss, um Kommunikationsvorgänge mit dem Terminal-Abschnitt 40 zu
gestatten. Wenn der Funkabschnitt 30 sich einschaltet bzw. hochfährt, um
mit dem Terminal-Abschnitt zu kommunizieren, und wenn es Zeit wird,
eine Nachricht zu empfangen oder zu senden, dann wird die Funkeinrichtung 31 automatisch
hochgefahren. Immer wenn die Funkeinrichtung nicht länger benötigt wird,
jedoch die Schnittstelle 34 aktiv bleibt, kann die Funkeinrichtung
heruntergefahren werden, um Leistung zu sparen. Wenn der Funkabschnitt 30 nicht
entweder über die
Schnittstelle 34 oder über
die Antenne 32 kommunizieren muss, werden alle Elemente
der Funkeinrichtung herunter gefahren, genauso wie die ASIC 33.
Das System wartet dann auf einen Aufweckruf entweder von der Signalzeitsteuerung,
die mit dem Takt 35 assozi iert ist, oder von dem Terminal-Abschnitt 40 (beispielsweise
weil der Anwender die Dateneingabe 42 aktiviert hat).
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Wenn
die mobile Einheit nicht mit einem Zugangspunkt assoziiert ist,
kann sie in einem Leistungseinsparungsbetriebszustand bleiben. In
diesem Betriebszustand wacht sie automatisch auf, um periodisch
nach einem Zugangspunkt zu suchen (beispielsweise jede Sekunde),
wodurch der Verbrauch von Leistung minimiert wird, jedoch immer
noch eine vernünftige
Fähigkeit
zum Finden eines Zugangspunktes vorgesehen wird, mit dem die Einheit
sich ziemlich schnell assoziieren kann. Sobald die mobile Einheit
sich mit einem Zugangspunkt verbunden hat, muss sie nur aufwachen,
um Beacon- bzw. Signalnachrichten zu empfangen.
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Die
mobile Einheit sieht vorzugsweise eine enge Kopplung zwischen dem
Funkabschnitt 30 und dem Terminal-Abschnitt 40 vor,
um geeignete Netzwerkunterstützung
mit minimalem Leistungsverbrauch vorzusehen. Die Einheiten haben
typischerweise einen aktiven Betriebszustand (entweder volle Leistung
oder Leistungseinsparungsbetriebszustand), einen Suspend- bzw. Wartezustand
(alle unnötigen
Teile sind aus, jedoch kann die CPU zu jedem Zeitpunkt einsteigen)
und einen Betriebszustand mit abgeschalteter Leistung (minimale
Leistung mit keiner internen Aktivität außer dem CMOS-Takt 35,
wobei sie jedoch immer noch von dort wieder beginnen kann, wo sie
gelassen wurde, bevor die Leistung abgeschnitten wurde).
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Der
Funkabschnitt 30 ist eng mit dem Terminal-Abschnitt 40 in
verschiedener Weise integriert, wodurch gemeinsame Leistungseinsparungsbetriebszustände gestattet
werden. Zuerst kann der Funkabschnitt eingestellt werden, so dass
er in seinem vorgeschriebenen Betriebszustand bleibt, immer wenn
der Terminal-Abschnitt 40 aktiv ist. Zweitens wird, wenn
der Terminal-Abschnitt 40 in
den Warte- bzw. Suspend-Betriebszustand geht, der Funkabschnitt 30 automatisch
in einen Betriebszustand mit niedriger Leistung gesetzt. Dies kann
beispielsweise der PSP-Algorithmus Nummer 10 sein, der
oben beschrieben wurde. In diesem Betriebszustand kann der Funkab schnitt
Nachrichten empfangen, die an den Funkabschnitt 40 geleitet
wurden. Es gibt Optionen, um entweder nur gerichtete Pakete oder
gerichtete und ausgesendete/verbreitete Pakete (Broadcast/Multicast-Pakete)
zuzulassen. Diese Optionen gestatten die Anpassung des Netzwerkes, um
die Leistung durch Minimierung von Wake Up- bzw. Aktivierungsereignissen
zu minimieren. Wenn ein qualifiziertes Paket empfangen wird, setzt
der Funkabschnitt 30 die Daten in einen Puffer innerhalb des
(nicht gezeigten) RAM und weckt den Terminal-Abschnitt 40 auf.
Da der Terminal-Abschnitt eine gewisse Zeit zum Aufwachen brauchen
kann, kann der Funkabschnitt 30 empfangene Pakete bis zu
jenem Zeitpunkt puffern, wenn der Terminal-Abschnitt 40 sie
verarbeiten kann.
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Während er
im Wartezustand ist, hat der Funkabschnitt 30 die Option,
sich herunterzufahren, wenn keine Aktivität für eine. programmierbare Zeitdauer
detektiert worden ist, beispielsweise für eine Stunde. Dies gestattet,
dass eine mobile Einheit, die inaktiv gelassen wurde oder außerhalb
des Bereiches gefallen ist, den Batterieverbrauch auf eine vernünftige Menge
begrenzt.
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Wenn
das Terminal "ausgeschaltet" worden ist (in einem
mit Leistung versortgen, jedoch vollständig inaktiven Zustand gelassen),
wird der Funkabschnitt 30 automatisch abgeschaltet bzw.
in einen Schlafzustand gebracht, dem niedrigsten Niveau des Leistungsverbrauchs.
In diesem Betriebszustand spricht er nicht weiter auf Nachrichten
oder auf Aufwachbefehle an. Wenn der Terminal-Abschnitt 40 dann
hochgefahren wird ("resume" bzw. "fortsetzen") fährt der
Funkabschnitt 30 selbst automatisch hoch und fährt von
seinem gegenwärtigen
Zustand fort.
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Wenn
der Terminal-Abschnitt 40 Leistung verliert (beispielsweise
wenn die Batterie 48 entfernt wird), dann wird der Funkabschnitt 30 automatisch ausgeschaltet
oder in anderer Weise heruntergefahren. In diesem Betriebszustand
kann die Batterie 36 als eine Backup- bzw. Sicherungsbatterie
wirken, die fähig
ist, den Betriebszustand des Terminal-Abschnittes zu halten. Alter nativ
kann eine getrennte (nicht gezeigte) Sicherheitsbatterie vorgesehen
sein. Wenn die Batterie 48 erneut eingeführt wird,
oder eine alternative Leistungsquelle verfügbar wird, kann der Terminal-Abschnitt 40 ohne
einen Datenverlust fortfahren, wobei er sich automatisch hochfährt und
den Funkabschnitt 30 rekonfiguriert, und zwar ohne eine vom
Bediener erforderliche Einwirkung. Nachdem der Funkabschnitt 40 rekonfiguriert
worden ist, scannt bzw. sucht er in normaler Weise nach Zugangspunkten
und richtet erneut eine Assoziation mit dem Netzwerk ein.
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Der
Terminal-Abschnitt 40 und der Funkabschnitt 30 können auch
mit weiteren Funktionen versehen sein, um zu verhindern, dass ein
Verriegelungszustand zwischen den zwei Abschnitten während eines
angehaltenen oder heruntergefahrenen Betriebes auftritt. Hier unterbricht
der Terminal-Abschnitt 40 den Funkabschnitt 30 und
weist an, dass keine Aufweckbetriebsvorgänge für ein minimales Intervall erzeugt
werden (beispielsweise für
eine Sekunde). Während
dieses Intervalls kann der Terminal-Abschnitt 40 dann sicher
anhalten oder herunterfahren. Nachdem das Intervall vergangen ist,
kann der Funkabschnitt 30 frei den Terminal-Abschnitt 40 aufwecken,
wenn eine Nachricht empfangen wird.
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Der
Terminal-Abschnitt 40 und der Funkabschnitt 30 können Kommunikationsvorgänge unter Verwendung
eines Befehlsregisters und eines Interrupts bzw. Unterbrechungspunktes
koordinieren. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann der Funkabschnitt 30 eine programmierbare Aufweck-Zeitsteuerung
(Timer) aufweisen. Der Funkabschnitt 30 kann dann entweder
von diesem Timer aufgeweckt werden, oder von einer Nachricht, die über die
Luftwellen übertragen
wurde und von der Funkeinrichtung 31 empfangen wurde, oder
von einem Befehl, der von dem Terminal-Abschnitt 40 über die
Schnittstelle 34 empfangen wurde.
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Um
die Schnittstelle 34 zu synchronisieren kann der Terminal-Abschnitt
einen von drei Befehlen erzeugen, wobei der Funkabschnitt mit einem
Bereit-Flag antwortet.
Die drei Befehle sind Awake for Host (Aufwachen für Host- Computer), Resume
(Fortfahren) und Sleep (Herunterfahren). Diese bewirken, dass der
Funkabschnitt 30 unterschiedliche Handlungen ausführt, wie
unten beschrieben.
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Ansprechend
auf den Befehl Awake for Host setzt der Funkabschnitt 30 das
Bereit-Flag. Dies gestattet, dass der Terminal-Abschnitt 40 direkt
mit dem Funkabschnitt 30 kommuniziert, um Nachrichten aufzunehmen,
um Nachrichten zu senden und um Befehle zu verarbeiten. Ansprechend
auf den Befehl Resume schaltet der Funkabschnitt 30 das
Bereit-Flag ab, um anzuzeigen, dass er in einem nicht koordinierten
Zustand ist, und der Funkabschnitt 30 kann immer dann herunterfahren,
wenn er entscheidet, dass er Kommunikationsvorgänge sowohl mit der Funkeinrichtung 31 als
auch mit dem Terminal-Abschnitt 40 beendet hat. In diesem
Betriebszustand wird der Funkabschnitt 30 immer dann aufwachen,
wenn ein Signal von dem Aufweck-Timer empfangen wird, der mit dem
Takt 35 assoziiert ist.
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Ansprechend
auf den Befehl Sleep stoppt der Funkabschnitt 30 alle Betriebsvorgänge, die
er vielleicht gerade ausgeführt
hat in der minimalen Zeitdauer und geht dann in einen Haltebetriebszustand
mit niedriger Leistung (Suspend-Betriebszustand). Wenn der Funkabschnitt 30 eine
Nachricht Resume empfängt,
dann schaltet er zurück
auf den normalen PSP-Betriebszustand.
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Es
wird klar sein, dass jedes der oben beschriebenen Merkmale oder
zwei oder mehr zusammen nützliche
Anwendung bei anderen Arten von drahtlosen lokalen Netzwerken und
bei einem Datenkommunikationssystem finden können, die von den oben beschriebenen
Bauarten abweichen.
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Während die
Erfindung veranschaulicht und beschrieben worden ist, wie sie ausgeführt worden ist,
ist nicht beabsichtigt, dass sie auf die gezeigten Details eingeschränkt ist,
da verschiedene Modifikationen und strukturelle Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne in irgendeiner Weise vom Umfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.