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1. Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das technische Gebiet des Mobilitätsmanagements und insbesondere
ein Verfahren für
das Mobilitätsmanagement und
ein Mobilitätssystem
für drahtlose
Datennetze, das für
drahtlose Datennetze wie das General Packet Radio Service-System
(GPRS) oder das Universal Mobile Telecommunications-System (UMTS)
geeignet ist.
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2. Beschreibung der zugehörigen Technik
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Im derzeitigen in 1 dargestellten GPRS-Netz ist der Servicebereich
in eine Vielzahl Leitbereiche (Routing Areas – RA's) 11 unterteilt.
Jeder RA besteht aus einer Vielzahl Zellen 12. Jede Zelle 12 repräsentiert
die Abdeckung durch eine Basisstation 13. Ein GPRS-Netzwerk
verwendet ein Paar endlicher Automaten (finite states machines), die
sowohl in den den GPRS-Service unterstützenden Knoten (SGSN) 14 als
auch im Mobiltelefon 15 ausgeführt werden, um das Mobilitätsmanagement (MM)
des Mobiltelefons 15 auszuführen. Der endliche Automat
hat drei Zustände:
Leerlaufzustand, Bereitschaftszustand und Bereitzustand. Im Leerlaufzustand
kennt das GPRS-Netz die Existenz des Mobiltelefons 15 nicht.
Im Bereitschaftszustand ist das Mobiltelefon 15 an das
GPRS-Netz angeschlossen worden und immer wenn das Mobiltelefon 15 einen
RA 11 überquert,
ist es erforderlich, es bei einem zugehörigen SGSN 14 anzumelden.
Im Bereitzustand muss sich das Mobiltelefon 15 bei jedem Überqueren einer
Zelle 12 bei einem zugehörigen SGSN 14 anmelden.
Außerdem
muss sich das Mobiltelefon im Bereitzustand befinden, um Paketdateneinheiten (packet
data units – PDU's)
empfangen und schicken zu können.
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Durch Schalten zwischen den drei
Zuständen
des Mobilitätsmanagements
kann das GPRS-Netz das Mobilitätsmanagement
des Mobiltelefons 15 durchführen. Im Bereitzustand wird
angenommen, dass das Mobiltelefon 15 innerhalb einer kurzen
Zeitspanne eine Paketübertragung
vornimmt. Aus diesem Grund muss das Mobiltelefon 15 bei
jedem Überschreiten
einer Zelle 12 dem SGSN 14 die neue Zelladresse
mitteilen. Auf diese Weise kann der SGSN 14 Pakete direkt
zur neuen Zelle 12 schicken, ohne nach allen Zellen 12 im
RA 11 zu suchen. Ist dagegen eine Kommunikationssitzung zwischen
dem Mobiltelefon 15 und dem SGSN 14 abgeschlossen, wird
angenommen, dass das Mobiltelefon 15 keine Paketübertragung
innerhalb einer kurzen Zeitspanne vornimmt. In diesem Fall sind
die Netzkosten zu hoch, wenn die Anmeldeoperation immer dann erfolgt,
wenn der Handapparat 15 eine Zelle überquert. Der Zustand des Mobilitätsmanagement
schaltet deshalb aus dem Bereitzustand in den Bereitschaftszustand.
Demzufolge nimmt das Mobiltelefon 15 nur dann eine Anmeldung
vor, wenn es einen RA 11 überquert.
Das bedeutet, dass im Bereitzustand das Paket direkt ohne zusätzliche
Suchkosten an das Mobiltelefon 15 geschickt werden kann.
Die Kosten der Standortaktualisierung sind jedoch sehr hoch, da das
Mobiltelefon 15 Zellenaktualisierungen durchführen muss.
Im Bereitschaftszustand sind die Suchkosten hoch, da es erforderlich
ist, alle Zellen 12 des RA 11 abzufragen, in dem
sich das Mobiltelefon 15 befindet. Die Kosten der Standortaktualisierung
sind jedoch niedrig, da das Mobiltelefon 15 nur RA-Aktualisierungen
durchführt.
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Hinsichtlich des oben erwähnten Umschaltens
vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand wird in der Spezifikation
23.060 von 3GPP ein Ansatz mit einem Bereit-Zeitgeber angewendet. Dieser Ansatz
definiert ein als T bezeichnetes Schwellenintervall. Wird ein Paket
geschickt, beginnt der Bereit-Zeitgeber die Zeit rückwärts über T Zeiteinheiten zu
zählen.
Hat der Bereit-Zeitgeber das Zählen
beendet und nimmt das Mobiltelefon 15 keine Datenübertragung
vor, schaltet der Zustand des Mobilitätsmanagements vom Bereitzustand
in den Bereitschaftszustand.
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Bei Anwendung des obigen Ansatzes
mit dem Bereit-Zeitgeber zum Schalten des Zustandes des Mobilitätsmanagements
vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand kann bei häufigem Wechsel
des Mobilitätsmusters
des Mobiltelefons 15 und des Verkehrsmusters der Zeitpunkt
des Schaltens vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand nicht präzise bestimmt
werden, da der Bereit-Zeitgeber die Schaltzeit durch das feste Schwellenintervall
T bestimmt. Außerdem
tritt beim Ansatz mit dem Bereit-Zeitgeber
das Problem auf, dass die Synchronisierung verloren geht. Hat beispielsweise
der SGSN 14 in den Bereitschaftsmodus geschaltet, befindet sich
das Mobiltelefon 15 immer noch im Bereitzustand.
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Im U.S.-Patent Nr. 6,243,579 "Controlling Operating
States of a Mobile Station in a Packet Radio System" werden drei
zusätzliche
Meldungen im GPRS-Netz hinzugefügt,
um ein Schalten der Zustände
des Mobilitätsmanagements
anzufordern. Eine derartige Verbesserung ist auf den Bereit-Zeitgeber
gerichtet. Deshalb besteht nach wie vor der Mangel, dass der Schaltzeitpunkt
aus dem Bereitzustand in den Bereitschaftszustand aufgrund des festen
Schwellenintervalls T nicht präzise
bestimmt werden kann. Außerdem
kann das Synchronisierungsproblem zwischen dem Mobiltelefon 15 und
dem SGSN 14 nicht beseitigt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demzufolge ist es die Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für das Mobilitätsmanagement
und ein Mobilitätsmanagementsystem für drahtlose
Datennetze bereitzustellen, das den Zeitpunkt präzise bestimmt, in dem der Zustand
des Mobilitätssystems
vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand schaltet, und das
das Synchronisierungsproblem zwischen dem Mobiltelefon und dem SGSN
wirksam löst.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren für das Mobilitätsmanagement
für ein
drahtloses Datennetz mit einer Vielzahl Leitbereiche bereit. Jeder
Leitbereich hat eine Vielzahl Zellen. Das drahtlose Datennetz wickelt
das Mobi litätsmanagement
durch endliche Automaten in einem mobilen Gerät und in einer Netzvorrichtung
ab. Der endliche Automat hat einen Bereitschaftszustand, einen Bereitzustand
und einen Leerlaufzustand. Das mobile Gerät und die Netzvorrichtung haben
jeweils einen Bereit-Zähler.
Das Verfahren bestimmt einen Zeitpunkt, in dem das mobile Gerät und die
Netzvorrichtung aus dem Bereitzustand in den Bereitschaftszustand
schalten und weist folgende Schritte auf: (A) Rücksetzen der Bereit-Zähler des mobilen
Geräts
und der Netzvorrichtung auf die gleiche Schwelle K, wobei K eine
nicht negative ganze Zahl ist; (B) Herunterzählen des Bereit-Zählers immer
dann, wenn das mobile Gerät
eine Zelle überquert;
(C) Schalten des mobilen Geräts
und der Netzvorrichtung in den Bereitschaftszustand, wenn der Bereit-Zähler auf
null gezählt
hat; und (D) nach erfolgreichem Schicken eines Pakets durch das
mobile Gerät
und erfolgreichem Empfangen eines Pakets durch das Netzgerät Rücksetzen
der Bereit-Zähler des
mobilen Geräts
und der Netzvorrichtung und Schalten des mobilen Geräts und der
Netzvorrichtung in den Bereitzustand.
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Des Weiteren stelle die vorliegende
Erfindung ein Mobilitätsmanagementsystem
für ein
drahtloses Datennetz bereit. Das System weist mindestens ein mobiles
Gerät,
mindestens eine Netzvorrichtung und eine Vielzahl Leitbereiche auf,
wobei jeder Leitbereich eine Vielzahl Zellen hat. Das drahtlose Datennetz
wickelt das Mobilitätsmanagement
mittels endlicher Automaten im mobilen Gerät und in der Netzvorrichtung
ab. Der endliche Automat hat einen Bereitschaftszustand, einen Bereitzustand
und einen Leerlaufzustand. Befinden sich das mobile Gerät und die
Netzvorrichtung im Bereitzustand und überquert das mobile Gerät ohne ein
Paket zu schicken K Zellen, wobei K eine nicht negative ganze Zahl
ist, schalten das mobile Gerät
und die Netzvorrichtung aus dem Bereitzustand in den Bereitschaftszustand.
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Die verschiedenen Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung erschließen
sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang
mit den beiliegenden Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines herkömmlichen GPRS-Netzes;
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2 ist
eine schematische Ansicht eines GPRS-Netzes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens für das Mobilitätsmanagement
für drahtlose
Datennetze gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
eine schematische Ansicht, die den Prozess zur Bestimmung eines
optimalen Schwellenwertes gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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5 zeigt
einen Leistungsvergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und
dem Stand der Technik.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 zeigt
ein drahtloses Datennetzwerksystem für die Abwicklung des Verfahrens
für das Mobilitätsmanagement
der vorliegenden Erfindung. Im drahtlosen Datensystem haben das
mobile Gerät 29 und
die Netzvorrichtung 28 jeweils einen Bereit-Zähler 251, 241 zur
Bestimmung des Zeitpunktes, in dem der Zustand des Mobilitätsmanagements vom
Bereitzustand in den Bereitschaftszustand schaltet. Wird ein GPRS-Netz
als Beispiel angenommen, ist die Netzvorrichtung 28 ein
SGSN 24 und das mobile Gerät 29 z.B. ein Mobiltelefon 25.
Die Bereit-Zähler 251 und 241 werden
so initialisiert, dass sie den gleichen Schwellenwert K haben, der
nur durch den SGSN 24 modifiziert werden kann. Soll der Schwellenwert
K vom SGSN 24 geändert
werden, können
die Meldungen "Annahme hinzufügen"
(Attach Accept) oder "Annahme Leitbereich aktualisieren" (Routing
Area Update Aceept) verwendet werden, um dies zu erreichen. Wird
der Schwellenwert K auf null gesetzt, muss das Mobiltelefon 25 sofort
in den Bereitschaftszustand gehen. Wird der Schwellenwert als spezieller
Wert gesetzt (z.B. alle binären Bits
sind als 1 gesetzt), sind die Bereit-Zähler 251 und 241 deaktiviert;
d.h. das Mobil telefon 25 befindet sich stets im Bereitzustand,
ohne in den Bereitschaftszustand zu schalten.
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3 ist
ein Flussdiagramm des Mobilitätsmanagementverfahrens
für drahtlose
Datennetze gemäß der vorliegenden
Erfindung. Zunächst
werden die Mobilitätsmanagementzustände des
Mobiltelefons 25 und des SGSN 24 auf den Bereitzustand
eingestellt und die Bereit-Zähler 251 und 241 des
Handapparats 25 und des SGSN 24 werden auf den
gleichen Schwellenwert K rückgesetzt
(Schritt S31). Jedes Mal, wenn das Mobiltelefon 25 eine
Zelle 22 überquert
(Schritt S32), werden alle Bereit-Zähler 251 und 251 heruntergezählt (Schritt
S33). Beträgt die
Zählung
der Bereit-Zähler 251 und 241 null, schalten
die Mobilitätsmanagementzustände des Mobiltelefons 25 und
des SGSN 24 in den Bereitschaftszustand (Schritt S34).
Schickt das Mobiltelefon 25 ein Paket, wird der Bereit-Zähler 251 des
Mobiltelefons 25 rückgesetzt,
um die Zählung
erneut zu beginnen. Empfängt
der SGSN 24 erfolgreich ein Paket, wird der Bereit-Zähler 241 des
SGSN 24 rückgesetzt,
um die Zählung
erneut zu beginnen (Schritt S31), und die Mobilitätsmanagementzustande
des Mobiltelefons 25 und des SGSN 24 schalten
vom Bereitschaftszustand in den Bereitzustand. In diesem Flussdiagramm
haben die Bereit-Zähler 251 und 241 des
Mobiltelefons 25 und des SGSN 24 stets den gleichen
Wert.
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Mit den Bereit-Zählern 251 und 241 des
Mobiltelefons 25 und des SGSN 24 veranlasst das
Verfahren der vorliegenden Erfindung, dass der Mobilitätsmanagementzustand
vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand schaltet, wenn das
Mobiltelefon 25K Zellen 22 ohne Paketübertragung überquert. Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung bestimmt deshalb auf Basis
der Anzahl Zellen 22, die das Mobiltelefon 25 überquert,
den Zeitpunkt, in dem der Mobilitätsmanagementzustand umschaltet.
Demzufolge können
das Mobilitäts-
und Verkehrsmuster des Mobiltelefons 25 präzise erfasst
werden. Unter Anwendung des oben beschriebenen Ansatzes mit den Bereit-Zählern kann
der Zeitpunkt, in dem der Mobilitätsmanagementzustand vom Bereitzustand
in den Bereitschaftszustand schaltet, selbst bei häufigem Wechsel
des Mobilitäts-
und Verkehrsmuster des Mobiltelefons 25 genau bestimmt
werden.
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Nunmehr sei auf 4 verwiesen, wonach zur Bestimmung eines
optimalen Schwellenwertes K* eine Paket-Leerlaufzeitspanne tp angenommen wird.
Nc wird als die Anzahl Zellen definiert, die vom Mobiltelefon 25 überquert
werden. Nr(j) ist die Anzahl der RA's, die zwischen der (j + 1)-ten
und der Nc-ten Zellüberquerung überquert
werden. U steht für
die Kosten für
die Durchführung
der Aktualisierung einer Zelle/eines RA. V repräsentiert die Kosten für das Suchen
einer Zelle. S entspricht der Anzahl Zellen in einem RA. Die Nettokosten
CT(K) der Standortaktualisierung und des Suchens in der Paket-Leerlaufzeitspanne
tp mit dem Schwellenwert K ergeben sich wie folgt: CT(K) = U × Nc; für K > Nc CT(K) = U × [K + Nr(K)]
+ S × V;
für K < Nc (1)
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Gemäß der obigen Definition ist
Nr(K) die Anzahl der RA-Aktualisierungen bei der Einstellung des
Schwellenwertes K. Bei Nc ≥ K
erhält
man: CT(K) = U × [K + Nr(K)]
+ S × V (2)
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Die Anzahl der RA-Überquerungen
in den vorigen Überquerungen
der K Zellen ergibt sich zu: Nr(0) – Nr(K).
-
Deshalb: Nr(0) – Nr(K) ≤ K (3)
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Aus Formeln (2) und (3) erhält man: CT(K) ≥ U × [Nr(0)] + S × V = CT(0);
für K < Nc (4)
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Für
K > Nc erhält man:
CT(K) = CT(Nc + 1). Die niedrigsten Nettokosten ergeben sich deshalb
zu CT* = min0 ≤ K ≤ ∞ CT(K)
= min0 ≤ K ≤ Nc + 1CT(K) (5)
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Aus Formeln (4) und (5) erhält man: CT* = min [CT(0), CT(Nc +
1)] (6)
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Demnach wird der optimale Wert des
kritischen Wertes K in einer Paket-Leerlaufzeitspanne tp als K* = 0 oder
K* = Nc + 1 bestimmt.
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Mit dem obigen optimale Schwellenwert
K* ergeben sich minimale Nettokosten (nämlich die Kosten der Standortaktualisierung
plus die Kosten für das
Suchen) in tp. Dieser optimale Schwellenwert K* kann dynamisch eingeregelt
werden, um die Systemanforderungen zu erfüllen. Als Beispiel sei tp(i)
die Leerlaufzeitspanne zwischen der (i – 1)-ten und der i-ten Paketübertragung
und K(i) der optimale K-Wert für
die Zeitspanne tp(i). Der K-Wert kann durch den folgenden adaptiven
Algorithmus dynamisch eingeregelt werden:
- (1)
Es wird eine Initialisierung vorgenommen, indem K(0) ein beliebiger
Wert zugewiesen und das Mobilitätsmanagementverfahren
mit dem Ansatz des Bereit-Zählers
ausgeführt
wird, wobei K(0) als der Schwellenwert angenommen wird, bevor das erste
Paket ankommt.
- (2) Nach Abschluss der i-ten Paketübertragung wird der optimale
K(i)-Wert, der die Nettokosten für
die Zeitspanne tp(i) minimiert, entweder zu 0 oder zu Nc + 1 berechnet.
Das Mobilitätsmanagementverfahren
mit dem Ansatz des Bereit-Zählers mit
dem Schwellenwert K wird in der Zeitspanne tp(i + 1) durchgeführt, wobei:
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-
Mit anderen Worten, der Schwellenwert
K zwischen der i-ten und der (i + 1)-ten Paketübertragung wird als Mittel
der vorigen M optimalen Schwellenwerte gewählt. Durch eine dynamische
Einregelung des Schwellenwertes K können mit dem Ansatz des Bereit-Zählers das
Mobilitätsmuster
und das Verkehrsmuster des Mobiltelefons präziser erfasst werden, um die
Kosten für
die Standortaktualisierung und das Suchen weiter zu verringern.
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In Anbetracht des oben Dargelegten
ist ersichtlich, dass im Vergleich zum herkömmlichen Ansatz mit dem Bereit-Zeitgeber
auf Basis der absoluten Zeit das vorliegende Mobilitätsmanagementverfahren
mit dem Ansatz des Bereit-Zählers
auf der Anzahl überquerter
Zellen basiert. Überquert
das Mobiltelefon K Zellen, ohne ein Paket zu schicken, schaltet der
Mobilitätsmanagementzustand
vom Bereitzustand in den Bereitschaftszustand. Somit kann der Schaltzeitpunkt
des Mobilitätsmanagements
präzise bestimmt
werden. Außerdem
kann durch die Verwendung des Bereit-Zählers anstelle des Bereit-Zeitgebers
das Problem des Synchronisationsverlustes beseitigt werden. Des
Weiteren ist es durch die Erfassung der Anzahl Zellen und der Anzahl
RA's, die vom Mobiltelefon während
der vorigen M Leerlaufzeitspannen überquert werden, möglich, den
optimalen Schwellenwert K* zu bestimmen, der dann als der Schwellenwert
während
der nächsten
Leerlaufzeitspanne verwendet wird, um das Mobilitätsmanagementverfahren
der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Dementsprechend können die
Kosten für
die Standortaktualisierung und das Suchen weiter verringert werden.
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Bei der obigen Ausführungsform
wird der Bereit-Zähler
mit dem Schwellenwert K initialisiert und dann eine Dekrementierungsoperation
vorgenommen, um die Anzahl Zellen zu registrieren, die vom Mobiltelefon
ohne Schicken eines Pakets überquert werden.
Analog kann der Bereit-Zähler
auf null initialisiert werden, wobei in diesem Fall eine Inkrementierungsoperation
vorgenommen wird, um die von einem Mobiltelefon überquerte Anzahl Zellen zu
registrieren, womit die gleiche Wirkung erzielt wird.
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Um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung nachzuweisen, wird ein Experiment nach dem herkömmlichen
Verfahren und nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
durchgeführt.
Bei diesem Experiment sind die folgenden beiden Typen Mobilitäts- und Verkehrsmuster
gemischt.
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Typ 1: mittlere Paket-Leerlaufzeitspanne
= 100 s, Mobilitätsrate λm' = 1/1000
s.
Typ 2: mittlere Paket-Leerlaufzeitspanne = 1000 s, Mobilitätsrate λm'' = 1/10
s.
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Bei diesem Experiment werden 1.000.000 Paket-Leerlaufzeitspannen
betrachtet, wobei die ersten 500.000 Paket-Leerlaufzeitspannen das
Muster Typ 1 und die letzten 500.000 Paket-Leerlaufzeitspannen das
Muster Typ 2 verwenden. CT' seien die erwarteten Kosten für eine Paket-Leerlaufzeitspanne des
Musters Typ 1 (die Kosten für
Standortaktualisierung plus die Kosten für das Suchen) und CT" seien die
erwarteten Kosten für
eine Paket-Leerlaufzeitspanne des Musters Typ 2. Für das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird K als 1 gesetzt, um die niedrigsten erwarteten Kosten
CT' zu erhalten, und K wird als null gesetzt, um die niedrigsten
erwarteten Kosten CT" zu erhalten. Deshalb liefert ein K mit dem
Wert 1 ein hervorragendes Ergebnis sowohl für das Muster Typ 1 als auch
das Muster Typ 2. Beim herkömmlichen
Verfahren werden dagegen bei T > 100
s die niedrigsten erwarteten Kosten CT', und andererseits bei T < 10 s die niedrigsten
erwarteten Kosten CT" erhalten. Aus der obigen Analyse ist ersichtlich,
dass die Muster Typ 1 und Typ nicht gleichzeitig erfüllt werden
können,
wie auch immer der Wert T gesetzt wird. Wie aus dem in 5 dargestellten Ergebnis
des Experiments ersichtlich ist, sind die erwarteten Kosten CT beim
herkömmlichen
Verfahren mit einem Bereit-Zeitgeber höher als die erwarteten Kosten
CT beim Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Aufgrund der obigen Beschreibung
ist es offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf zahlreiche
Arten variiert werden kann. Derartige Variationen gelten nicht als
Abweichung von Geist und Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung und alle derartigen Modifikationen, die
für den
Fachmann nahe liegend sein könnten,
sollen als von den nachfolgenden Ansprüchen abgedeckt gelten.
