DE102009005352A1 - Radio device/network device, has two different slots or transmission facilities or frequencies with optical colors, used for message, where message is redundantly transferred to slots or transmission facilities or frequencies or colors - Google Patents
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Abstract
Description
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter mehreren Teilnehmern an einem Kabel- oder Funknetz den Zugriff auf das gemeinsame Übertragungsmedium oder den gemeinsam genutzten Funkkanal so zu koordinieren, dass einerseits die Daten mit möglichst geringer Latenz übertragen werden und andererseits eine möglichst faire Verteilung der Ressourcen unter den Teilnehmern vorgenommen wird.Of the Invention is based on the object among several participants on a cable or wireless network access to the common transmission medium or to coordinate the shared radio channel so that On the one hand, transmit the data with the lowest possible latency and on the other hand the fairest possible distribution resources are made among the participants.
Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Point-to-Multipoint Funknetz, bei dem mehrere Teilnehmer mit einer Basisstation kommunizieren, beispielsweise um jeweils einen Internetzugang nutzen zu können. Bei der Internet-Nutzung kann im Gegensatz zur Telefonie kaum vorhergesagt werden, welcher Teilnehmer zu welchem Zeitpunkt einen hohen Datendurchsatz benötigt.One A typical example of this is a point-to-multipoint Radio network in which several subscribers communicate with a base station, for example, to be able to use an Internet access. In Internet use, unlike the telephony hardly predicted which subscriber will have a high data throughput at what time needed.
Während
bei einem FDD System im Downlink die Verteilung wohldefiniert von
der Basisstation per Scheduler vorgenommen werden kann, ergibt sich
im Uplink die Problematik, dass entweder zunächst Sendezeit
vom Teilnehmer-Modem bei der Basisstation beantragt und zugeteilt
werden muss, wodurch sich die Latenzzeit deutlich erhöht.
Gleiches gilt für TDD Verfahren mit wohldefinierter Aufteilung der
Zeitrahmen in einen Uplink- und Downlink-Anteil. Entsprechende Verfahren
sind z. B. in dem
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines ALOHA-Konzeptes, bei dem das Teilnehmer-Modem dann sendet, wenn es selber keine Belegung des Funkkanals feststellt (CSMA), wobei es insbesondere zum Ende einer Aussendung zu Kollisionen kommen kann, wenn jedenfalls zwei Modems gleichzeitig Daten zur Aussendung anstehen haben und gleichzeitig auf den Funkkanal zugreifen. In diesem Fall führt gewöhnlich eine Erkennung der Kollision zur Wiederholung der Aussendungen, wobei zur Vermeidung einer erneuten Kollision eine variable Wartezeit (Backoff) eingeführt wird.A another possibility is the use of an ALOHA concept, in which the subscriber modem then sends, if there is no occupation itself of the radio channel (CSMA), in particular to the end A transmission can lead to collisions, if at least two Modems have data to send at the same time and simultaneously access the radio channel. In this case usually leads a detection of the collision to repeat the emissions, wherein to avoid a new collision, a variable waiting time (Backoff) is introduced.
Dieses
Verfahren findet in einer Variante, welche auch das Hidden Station
Problem (ein Sender kann die Belegung durch einen anderen Sender
nicht erkennen, beide sehen jedoch die Basisstation) berücksichtigt,
indem die mögliche Kollision von den eigentlichen Nutzdaten
auf ein RTS/CTS-Steuerprotokoll verlagert wird, unter anderem Verwendung
beim
Das Verfahren hat bis zu einer bestimmten Kanalbelegung den Vorteil kleiner Latenzzeiten, diese können jedoch bei hoher Kanalbelegung dramatisch ansteigen.The Method has the advantage up to a certain channel occupancy small latencies, but these can be at high channel occupancy increase dramatically.
Weiterhin
bekannt sind Verfahren wie Slotted ALOHA, bei denen wohldefinierte
Zeitschlitze quasi zufällig belegt werden, hierdurch kommt
es nicht mehr zu einer Segmentierung des Funkkanals. Auch bekannt
sind ALOHA Verfahren in der Frequenz-/Zeitebene, hier wird auf die
Contention Based Focused Bandwidth Requests bei
Einen
weiteren Überblick über den Stand der Technik
zu ALOHA Verfahren geben die Patente
Die gleiche Problematik stellt sich bei Zugriffsverfahren auf ein Breitbandkabel mit Kabelmodems, auch hier kann jeweils nur ein Modem zu einer Zeit einen bestimmten Anteil des Kabelspektrums im Uplink belegen.The The same problem arises with access to a broadband cable with cable modems, again, only one modem at a time occupy a certain proportion of the cable spectrum in the uplink.
Aufgabenstellung dieser Erfindung ist es, ein Verfahren für den Vielfachzugriff zu finden, welches die Problematik der hohen Kollisionswahrscheinlichkeit bei ALOHA Verfahren und die Problematik der hohen Latenzzeit bei Pollingverfahren für die Steuerung des Vielfachzugriffs auf ein Übertrgungsmedium oder einen Funkkanal möglichst vermeidet.task This invention is a method for multiple access to find out what the problem of high collision probability in ALOHA procedures and the problem of high latency at Polling procedure for the control of the multiple access on a Übertrgungsmedium or a radio channel as possible avoids.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Gerät in allgemeiner Form gelöst, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird. Bei dem in Patentanspruch 2 beschriebenen Gerät handelt es sich um die für Mehrträgerverfahren spezialisierte Variante, auf die im Ausführungsbeispiel näher eingegangen wird, das in Patentanspruch 3 beschriebenen Gerät ist für CDMA Verfahren geeignet.The Problem is inventively by the in claim 1 described in general form, its function in the following with reference to an embodiment is explained. In the described in claim 2 This device is for multi-carrier processes specialized variant, closer to the embodiment received, the device described in claim 3 is suitable for CDMA processes.
Das Ausführungsbeispiel geht zunächst von einem Mehrträgerverfahren aus, bei dem mehrere Funkmodems gleichzeitig senden können, jedoch jeweils nur ein Unterträger durch ein Modem gleichzeitig belegt werden darf, soll es nicht zu einer Kollision kommen. Die Unterträger können rein frequenzgetrennt (FDMA, SC-FDMA) oder auch orthogonal verschachtelt (OFDMA) oder hexagonal ineinandergekämmt (CIFDM) belegt werden, das gesamte Funksignal setzt sich demnach aus einer Vielzahl von Unterträgern zusammen.The Embodiment initially goes from a multi-carrier method which allows multiple radio modems to transmit simultaneously, however, only one sub-carrier at a time by a modem at the same time may be occupied, it should not come to a collision. The Subcarriers can be purely frequency-separated (FDMA, SC-FDMA) or orthogonally interleaved (OFDMA) or hexagonal nested (CIFDM), the entire radio signal is therefore made up of a variety of subcarriers together.
Im Rahmen eines räumlich-zeitlichen Vielfachzugriffs kann nun ein Funkmodem sowohl eine oder mehrere Unterträgergruppen, denen jeweils bestimmte Unterträger ausschließlich zugeordnet sind, als auch einen oder mehrere Zeitschlitze zum Senden auswählen. Die einer Unterträgergruppe zugeordneten Unterträger können, müssen aber nicht im Spektrum nebeneinander liegen, eine gleichmäßig verschachtelte Verteilung kann unter Fadinggesichtspunkten sinnvoll sein.in the Frame of a spatiotemporal multiple access now a radio modem both one or more subcarrier groups, which each particular subcarrier exclusively are assigned, as well as one or more time slots for transmission choose. Which are assigned to a subcarrier group Subcarriers may, but do not have to lie next to each other in the spectrum, a uniformly nested one Distribution may make sense under fading aspects.
Ein Funkmodem, welches im Uplink eine Nachricht – wobei es sich unmittelbar um Nutzdaten oder auch um einen Bandwidth Request handeln kann – absetzen möchte, wird nun erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel zum Beginn eines neuen Sendezeitschlitzes mindestens zwei Unterträgergruppen zufällig oder pseudozufällig auswählen und zum Beginn des Zeitschlitzes die anstehende Nachricht redundant auf beiden Unterträgergruppen übertragen.One Radio modem, which in the uplink a message - where it directly to user data or to a bandwidth request can act - wants to settle, is now according to the invention in This embodiment at the beginning of a new transmission time slot at least two subcarrier groups random or select pseudorandomly and at the beginning of the time slot transmit the pending message redundantly on both subcarrier groups.
Beispielsweise könnte ein Modem aus 8 möglichen Unterträgergruppen nummeriert von 0 bis 7 die Unterträgergruppen 3 und 5 zur Übertragung auswählen, ein anderes Modem belegt die Gruppen 5 und 6. Hierdurch kommt es zwar auf der Gruppe 5 zu einer Kollision, jedoch werden die Nachrichten beide kollisionsfrei und getrennt auf den Gruppen 3 und 6 übertragen, siehe hierzu auch Bild 1.For example could be a modem made up of 8 possible subcarrier groups numbered from 0 to 7 select subcarrier groups 3 and 5 for transmission, another modem occupies groups 5 and 6. This is what happens Although there is a collision on Group 5, the messages are both transmitted without collision and separately on groups 3 and 6, see also picture 1.
Überraschenderweise sinkt in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Kollision für zwei Nachrichten erheblich, obwohl sich die Belegung des Funkkanals verdoppelt. Im Beispiel beträgt die Kollisionswahrscheinlichkeit bei einer Einfachaussendung offensichtlich 1/8, also 0,125, während die Wahrscheinlichkeit einer beide Nachrichten zerstörenden Kollision bei redundanter Mehrfachaussendung auf nur 0,036 absinkt. Eine teilweise Kollision ist aufgrund der redundanten Aussendung irrelevant.Surprisingly In this case, the probability of a complete decrease decreases Collision for two messages considerably, although the Occupancy of the radio channel doubled. In the example, the Collision probability in a single send obviously 1/8, that is, .125, while the probability of both Messaging destructive collision in redundant multicast drops to only 0.036. A partial collision is due to the redundant transmission irrelevant.
Bild 2 zeigt ein entsprechendes Diagramm für 32 Unterträgergruppen, es zeigt sich, dass selbst für stärkere Kanalbelegungen das erfindungsgemäße Verfahren den traditionellen Lösungen deutlich überlegen ist.image 2 shows a corresponding diagram for 32 subcarrier groups, it turns out that even for stronger channel assignments the inventive method the traditional Solutions is clearly superior.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß Unteranspruch wird den Modems jetzt von der Basisstation im Downlink signalisiert, welche Unterträgergruppen ordnungsgemäß empfangen wurden und welche von einer lokalen Kollision betroffen sind. Trotz dieser lokalen Kollision ist in der Regel der Empfang der redundant gesendeten Nachricht auf einer anderen Unterträgergruppe möglich. Das Modem kann nun für Folgeaussendungen jene Unterträgergruppe beibehalten, auf welcher für die Bassstation der bestmögliche Empfang besteht und die kollisionsfrei ist. Gleichzeitig wird anderen Modems so signalisiert, diese Unterträgergruppe bis zur Freigabe nicht mehr in weitere Zufallsauswahlen einzubeziehen.According to one particularly preferred embodiment of the invention according to dependent claim the modems are now signaled by the base station in the downlink, which subcarrier groups receive properly and which are affected by a local collision. In spite of This local collision is usually the reception of the redundant sent message on another subcarrier group possible. The modem can now be used for follow-up transmissions maintain that subcarrier group on which for the bass station is the best possible reception and the is collision-free. At the same time it signals other modems this subcarrier group until release no longer in to include more random selections.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann diese Belegung dann auch als Reservierung für Folgenachrichten beibehalten werden, ein Zeitgeber steuert dann beispielsweise die Freigabe nach einer vordefinierten Zeit, falls keine weiteren Aussendungen anstehen.According to one preferred embodiment, this assignment then as Reservations for follow-up messages are retained For example, timer then controls the release after a predefined one Time if there are no further transmissions.
Die Auswahl der tatsächlich genutzten Unterträgergruppe bei gar keiner Kollision anhand der Empfangsqualität kann auch dazu genutzt werden, bei CIFDM Verfahren einen Equalizer schneller konvergieren zu lassen. Typischerweise wird bei CIFDM als Ersatz für das Guard-Intervall des OFDM eine Entzerrung der Unterträger mittels adaptiven Equalizer vorgenommen, dabei können auch benachbarte Unterträger des jeweils anderen Kamms mit einbezogen werden, insbesondere bietet sich an, die sechs umliegenden Untersymbole zu einem Symbol sequentiell zu ordnen und dann, so als wären diese Untersymbole nacheinander auf nur einer Unterträger gesendet worden, einem adaptiven LMS oder RLS Filter einzuspeisen. Dabei ist von Untersymbol zu Untersymbol ggf. eine Phasenkorrektur für diese Nachbarsymbole auszuführen, da der Kehrwert deren Frequenzabstands nicht in ganzzahliger Relation zur Symboldauer steht.The Selection of the actually used subcarrier group at no collision based on the reception quality can can also be used, with CIFDM method an equalizer faster to converge. Typically, CIFDM is used as a replacement for the guard interval of the OFDM an equalization of the subcarriers using adaptive equalizer, it also can adjacent subcarriers of the other comb included In particular, the six surrounding sub-symbols are recommended to sequentially order a symbol and then, as if these sub-symbols are sent consecutively on only one subcarrier been fed to an adaptive LMS or RLS filter. there from sub-symbol to sub-symbol may be a phase correction for to execute these neighboring symbols, since the reciprocal of their Frequency spacing not in integer relation to the symbol duration stands.
Zur Beschleunigung der Konvergenz können jetzt im Vielfachzugriffsbereich des Funksignals unterschiedliche Koeffizienten im adaptiven Filter für typische Szenarien eingestellt werden, sofern beide (redundante) Nachrichten empfangen werden können, kann die Unterträgergruppe mit der besseren Voreinstellung fortgeführt werden.to Acceleration of convergence can now be done in the multiple access area the radio signal different coefficients in the adaptive filter for typical scenarios, provided both (redundant) Messages can be received by the subcarrier group continue with the better presetting.
Weiterhin kann es zweckmäßig sein, neben dem redundanten Anteil der eigentlichen Nachricht auch nichtredundante Prüfsummen mit zu übertragen, beispielsweise können die parallel zu sendenden Nachrichten unterschiedlich punktiert werden. Bei gleichzeitigem Empfang beider Nachrichten steht so beispielsweise eine erhöhte Zahl an LDPC Prüfbits oder ein erhöhter Anteil an Interleaved vs. Non-Interleaved Prüfbits eines Turbo-Encoders zur Verfügung. In einer sehr fortgeschrittenen Version der Erfindung wäre es auch denkbar, anhand der Prüfbits selbst die Daten auf einer Unterträgergruppe mit einer Kollision wieder zu separieren.Farther It may be appropriate, in addition to the redundant Proportion of the actual message also nonredundant checksums with transfer, for example, the parallel messages to be sent are dotted differently. At the same time Reception of both messages is for example an increased Number of LDPC check bits or an increased proportion at Interleaved vs. Non-interleaved check bits of a turbo encoder to disposal. In a very advanced version of the Invention it would also be possible based on the check bits even the data on a subcarrier group with a To separate collision again.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Anzahl der redundant gesendeten Nachrichten abhängig von der Kanalbelegung gesteuert, sofern hinreichend viele Unterträgergruppen belegt oder reserviert sind, kann beispielsweise von einer dreifachen Parallelaussendung auf eine doppelte Parallelaussendung zurückgeschaltet werden, oberhalb eines weiteren Limits wird dann ein klassisches Polling- oder Scheduling-Verfahren verwendet.In a further preferred embodiment of the invention, the number of redundantly transmitted messages is controlled depending on the channel occupancy, if sufficiently many subcarrier groups are occupied or reserved, for example, from a triple Parallelaussendung to a double parallel transmission are switched back, above a further limit then a classical polling or scheduling method is used.
Sollte eine Kollision trotz der redundanten Aussendung stattfinden, so kann auf die bekannten (Backoff-)Verfahren für ALOHA-Zugriffsschemata zur zufälligen oder pseudozufälligen Wiederholung innerhalb eines Zeitintervalls, welches mit der Anzahl der Fehlversuche exponentiell vergrößert wird, zurückgegriffen werden. Hier bietet sich zusätzlich an, die Redundanz und somit die Anzahl der parallelen Aussendungen auf unterschiedlichen Unterträgergruppen im Fall der Wiederholung zu erhöhen, um eine höhere Wahrscheinlichkeit der korrekten Ankunft wenigstens einer Nachricht zu erhalten.Should a collision take place despite the redundant transmission, so can be based on the known (back-off) procedures for ALOHA access schemes to random or pseudorandom repetition within a time interval, which coincides with the number of failed attempts is exponentially enlarged, resorted to become. Here, in addition to the redundancy and thus the number of parallel transmissions on different Increase subgroup groups in case of repetition, for a higher probability of the correct arrival to receive at least one message.
Bei der Nutzung der Erfindung sind auch Mischformen mit klassischen Verfahren denkbar, beispielsweise können Modems mit großen zu sendenden Datenmengen aus dem allgemeinen Vielfachbelegungsverfahren gemäß dieser Erfindung herausgenommen werden und auf völlig getrennten Zeitschlitzen oder Unterträgergruppen per Scheduler geführt werden.at The use of the invention are also mixed forms with classic Methods conceivable, for example, modems with large Data volumes to be sent from the general multiple assignment procedure be taken out according to this invention and on completely separate time slots or subcarrier groups be run by scheduler.
Die Erfindung ist ebenfalls für CDMA Verfahren geeignet, hierbei können Nachrichten parallel und redundant auf unterschiedlichen Spreizcodes übertragen werden. Bei Zeitschlitzen ist die Nutzung der Erfindung dann sinnvoll, wenn eine Kollision auf diesen erst mit erheblicher Verzögerung erkannt und gemeldet werden kann.The Invention is also suitable for CDMA processes, here Messages can be parallel and redundant on different messages Spread codes are transmitted. With time slots is the Use of the invention then makes sense if a collision on this only be detected and reported with considerable delay can.
Selbst eine Nutzung auf passiven optischen Netzen bei der Verwendung unterschiedlicher Farben oder Zeitschlitze anstelle der Unterträgergruppen ist möglich, denkbar wäre hier, mehrere auf unterschiedliche Farben (Lichtfrequenzen) abstimmbare Laser parallel zu betreiben, die Farben zufällig auszuwählen und dann die Nachricht parallel über die Laser zu übertragen. Im Fall einer Kollision mit dem Signal eines anderen Teilnehmers auf einer Farbe kann dann die nicht von der Kollision betroffene redundante Nachricht auf einer anderen Farbe genutzt werden.Even a usage on passive optical networks when using different Colors or time slots instead of subcarrier groups is possible, would be conceivable here, several on different Colors (light frequencies) to operate tunable lasers in parallel, to randomly select the colors and then the message to transmit in parallel via the lasers. In the case a collision with another participant's signal on one Color can then be the redundant not affected by the collision Message to be used on a different color.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - EP 1630715 B1 [0008] - EP 1630715 B1 [0008]
- - EP 0177094 B1 [0008] EP 0177094 B1 [0008]
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