DE10124417A1 - Verfahren zur Übertragung von Daten - Google Patents

Verfahren zur Übertragung von Daten

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Abstract

Verfahren zur Übertragung von Daten, bei dem die Zuordnung von kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen in Abhängigkeit davon vorgenommen wird, ob das entsprechende Datenpaket zum ersten mal, oder zum wiederholten mal übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren Übertragung von Daten, insbesondere innerhalb eines Mobilfunknetzes.
Die rasante technische Entwicklung auf dem Gebiet der Mobil­ kommunikation hat in den letzten Jahren zur Entwicklung neu­ er Mobilfunksysteme der dritten Generation geführt. Dabei spielt das sogenannte UMTS (Universal Mobile Telecommunicati­ ons System), das zumindest teilweise auf der WCDMA (Wideband Code Divisison Multiple Access) Technologie basiert, eine we­ sentliche Rolle. Die Luftschnittstelle dieses Systems, UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), bildet ein zentrales Element dieses Systems. Für dieses System wird derzeit eine Erweite­ rung hin zu höheren Datenraten spezifiziert, bekannt unter dem Namen HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Der der­ zeitige Stand dieses Systems ist in folgenden Veröffentli­ chungen zusammengefasst: [HSDPA_physical], [HSDPA_overall].
Für HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) sind neben der QPSK Modulation auch höherwertige Modulationen vorgesehen. So sollen 8 PSK, 16 und 64 QAM verwendet werden. Bei 8 PSK wer­ den 3 bits einem Symbol im komplexen Basisband zugeordnet, bei 16 QAM sind es bereits 4 bits und bei 64 QAM 6 bits. Bei der herkömmlichen QPSK werden 2 bits einem Symbol zugeordnet.
Fig. 1 zeigt beispielhaft das Konstellationsdiagramm im kom­ plexen Basisband der 16 QAM. Es werden 4 bits pro übertrage­ nem Symbol, das durch Inphase- und Quadratur-Wert gekenn­ zeichnet ist, übermittelt. Die bits i1, q1, i2, q2 werden so einem Symbol zugeordnet. Wie man in Fig. 1 gut erkennen kann, sind die bits i1 besser geschützt, oder anders ausge­ drückt, zuverlässiger als die bits i2. Das gleiche gilt auch für die anderen beiden Bits. q1 ist zuverlässiger als q2.
Diesen Sachverhalt kann man sich einfach veranschaulichen. Betrachtet man i2, so erkennt man, dass i2 mit dem Wert 1 acht Nachbarn zum Wert i2 = 0 hat. Hingegen i1 besitzt nur 4 potentielle Nachbarn und somit auch nur 4 Entscheidungs­ schwellen.
Üblicherweise geht der Modulation eine Codierung, eine soge­ nannte Kanal-Codierung, voraus. Hierbei wird den Informati­ onsbits gezielt Redundanz hinzugefügt; somit entstehen bei den meisten Kodierungsschemata systematische bits und parity bits. In der Regel besitzen diese kodierten bits unterschied­ liche Prioritäten, d. h. sind unterschiedlich wichtig.
Speziell bei HSDPA ist vor der Modulation eine Turbo Codie­ rung der Informationsbits vorgesehen. Hierbei entstehen ab­ hängig von der verwendeten Code-Rate mehr oder weniger Infor­ mations und Parity bits. Die parity bits haben geringere Pri­ orität als die Systematischen bits. D. h. zur Decodierung sind die systematischen bits wichtiger als die parity bits. So wurden bereits bei dem herkömmlichen UMTS rate-matching bevorzugt die parity bits punktiert.
Fig. 2 zeigt die derzeitig für HSDPA vorgesehene Physical Layer Struktur. Ein Datenstrom bestehend aus N Transport Blö­ cken wird um Tail Bits erweitert. Um welche Tail Bits es sich hierbei genau handelt und ob diese pro Transport Block oder pro N Transport Blocks angehängt werden ist noch nicht ab­ schließend spezifiziert. Danach erfolgt eine Turbo Codierung. Das Rate Matching sorgt dafür, dass die ankommenden Bits in eine wohl definierte Blocklänge passen, d. h. man muss den ankommenden Datenstrom entweder kürzen oder strecken, typi­ scher Weise dadurch, dass einzelne Bits des Datenstromes weg­ gelassen oder aber wiederholt werden. Die Output bits des Ra­ te-Matching-Blocks werden dann im Interleaver verwürfelt. Dieser Datenstrom, dessen einzelne Prioritäten man nicht mehr kennt, werden nun auf die Symbole des komplexen Basisbands verteilt. Der Demultiplexer verteilt dann die Symbole auf e­ ventuell mehrere channelisation codes (Spreizcodes). AMCS ist die Abkürzung für Adaptive Modulation and Coding Schemes. AMCS legt das zu verwendende Modulations-Alphabet und die Co­ de-Rate fest. Bei HSDPA handelt es sich nicht um eine circuit switched (leitungsgebunden) Verbindung handelt sondern um ei­ nen packet switched service (Paket vermittelt). H-ARQ findet Anwendung, d. h. das mobile Terminal sendet ACKNOWLEDGEMENT oder NOT ACKNOWLEDGEMENT zur Basisstation zurück, um den kor­ rekten Empfang des Paketes zu bestätigen oder nicht zu bestä­ tigen. Basierend auf dieser Rückmeldung wird dann ggf. eine Wiederholung dieses nicht bestätigten Paketes gesendet.
Aus [Panasonic] ist es bekannt, die unterschiedliche Zuver­ lässigkeit der bits eines Symbols zu berücksichtigen; so ist eine für jede retransmission spezifische Zuordnung der bits auf die Symbole des komplexen Basisbandes vorgeschlagen. So­ mit erreicht man beim Einsatz einer geschickten Zuordnungs­ vorschrift nach mehreren Retransmissions eine Art Vereinheit­ lichung der Zuverlässigkeit. Aber dies wird nur dann erzielt, wenn ein Block mehrfach wiederholt werden muss, da beim mobi­ len Terminal die ersten Decodierversuche fehl schlagen und somit retransmissions angefordert werden. Aber die Tatsache der unterschiedlichen Prioritäten der turbo encodierten Bits wird nicht berücksichtigt.
Aus [Samsung] ist es bekannt, turbo encodierte Bits geschickt auf die Symbole im komplexen Basisband zuzuordnen (Fig. 3). Nach dem Turbo Encoder werden die bits getrennt nach systema­ tische und parity bits weitergeführt. Im Kästchen "Parallel to Serial" erfolgt dann eine Zuordnung der bits mit verschie­ dener Priorität auf die bit-Positionen innerhalb eines Sym­ bols mit unterschiedlicher Zuverlässigkeit. Hierbei gilt grob gesagt: die bits mit höchster Priorität werden auf die bit Positionen mit höchster Zuverlässigkeit verteilt. Die bits mit niedrigster Priorität werden auf die Positionen mit ge­ ringster Zuverlässigkeit verteilt. Natürlich gibt es auch Fälle, in denen eine suboptimale Lösung gefunden werden muss, da z. B. mehr bits mit höchster Priorität vorhanden sind als bits mit höchster Zuverlässigkeit. Fig. 4 zeigt beispielhaft eine dadurch entstehende Zuordnung von encoded bits auf die bit Positionen der Symbole im komplexen Basisband.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein zuverläs­ siges Verfahren zur Übertragung von Daten anzugeben.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, enco­ dierte bits unterschiedlicher Priorität mittels eines Modula­ tors, der nicht alle bits gleich sicher übertragen kann, so zu modulieren, daß die Daten zuverlässig übertragen werden. Es ist daher auch insbesondere eine Aufgabe der Erfindung ei­ ne intelligente Anpassung der Codierung und der Modulation hinsichtlich der Prioritäten und der Zuverlässigkeit der ein­ zelnen bits bzw. bit-Positionen vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen An­ sprüche gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird also die Zuordnung von kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen in Abhän­ gigkeit davon vorgenommen, ob das entsprechende Datenpaket, dem die kodierten Daten zugeordnet sind, zum ersten mal, oder zum wiederholten mal übertragen wird.
Die Erfindung oder ihre Weiterbildungen beruhen demnach auf auch folgenden Gedanken:
  • - Erweiterung des Gedankens von Samsung. Das heißt, neben den verschieden priorisierten encodierten bits gibt es auch noch weitere bits mit anderen Prioritäten z. B. die header bits, die wirklich oberste Priorität haben. Man muss dann nicht nur die Verschiedenen Prioritäten der en­ codierten Bits, sondern zusätzlich auch noch header bits usw. geschickt auf die bit Positionen der Symbole im kom­ plexen Basisband abbilden.
  • - Die Idee, dass man eine retransmission gleichzeitig mit einer erstmaligen transmission senden kann, indem man die erstmalige Übertragung und die retransmission auf ein und das selbe Symbol abbildet. Zwei (oder mehr) verschiedene Datenströme werden gleichzeitig gesendet, indem die beiden Datenströme sich die selben Symbole teilen. Alternativ wä­ re es auch möglich, dass bei einer höherwertigen Modulati­ on mehrere Datenströme nacheinander in der gleichen (ur­ sprünglichen) Zeit gesendet werden.
  • - Die Idee, dass man nicht nur ACKNOWLEDGEMENT und NOT ACKNOWLEDGEMENT als Bestätigung sendet, sondern mehr bits für die ACKNOWLEDGEMENT-Meldung spendiert. Somit kann man dem Sender mitteilen, wie viel Energie ungefähr gefehlt hat, um eine erfolgreiche Decodierung des empfangenen Da­ tenblocks zu erlangen. Genauso kann man auch noch mittei­ len, um wie viel die Energie unnötigerweise zu hoch war. Dies alleine ist nicht unbedingt eine neue Idee, aber die Reaktion darauf ist neu. Bislang würde man auf eine derar­ tige Rückmeldung mit dem Variieren der Sendeleistung, der Codierung, der Codier-Rate, der Modulation, usw. reagie­ ren. Neu ist nun, dass man abhängig von der Rückmeldung auch mit entsprechender Zuordnung der retransmission bits auf die bit-Position der Symbole mit entsprechender Zuver­ lässigkeit reagiert.
Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Möglichkeit, trotz festgelegter Rahmenlänge für die retransmission ein anderes Modulations- und Codierschema zu verwenden und gleichzeitig die Möglichkeit von Soft-Combining zu erhalten (d. h. die Län­ ge des Code-Blocks beizubehalten).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele näher beschrieben, zu deren Erläuterung die Fig. 5 bis 10 dienen (Fig. 1 bis 4 beschreibend Stand der Technik):
Fig. 1 Signal-Konstellation für die 16 QAM Modulation;
Fig. 2 HSDPA Physical Layer Struktur;
Fig. 1 alternative HSDPA Physical Layer Struktur;
Fig. 2 Beispiel einer Zuordnung von bits zu bit Positionen der Symbole;
Fig. 3 HSDPA Physical Layer Struktur gemäß einer Ausfüh­ rungsvariante der Erfindung (retransm. 0 = first transmission, retrans. < 0 entspricht einer retrans­ mission, TTI = transmission time interval);
Fig. 7 schematische Darstellung von Datenblöcken;
Fig. 8 bis 10 Konstellationsdiagramme.
Fig. 5 zeigt eine HSDPA Physical Layer Struktur (retransm. 0 = first transmission, retrans. < 0 entspricht einer retrans­ mission, TTI = transmission time interval). Dabei existieren auf der einen Seite nicht nur parity und systematische bits, die dann auf die bit Positionen der Symbole abgebildet werden sollen, sondern die Anzahl der bits mit verschiedenen Priori­ täten wird erweitert, indem u. a. beispielsweise auch noch die header bits und die retransmission (falls nötig) mit ein­ bezogen werden.
Header bits: Ein Paket besteht aus den header bits und der sog. payload. Im header stehen Informationen über die paylo­ ad, z. B. Nummer der gesendeten Blocks, Länge des Blocks, usw. Die Anzahl der Informationen im Header hängt u. a. ab vom verwendeten H-ARQ Type, von der Art der Ressourcen- Aufteilung zwischen den Usern, usw. Jedoch sobald man den Header nicht richtig decodieren kann, kann auch die Payload nicht richtig ausgewertet werden. Deshalb ist es besonders wichtig, daß der Header gut geschützt übertragen wird. Somit sollte der Header nach einer besonders guten Codierung (ver­ mutlich bieten sich hier Block-Codes an) auf die zuverläs­ sigsten bits abgebildet werden.
Parallele Retransmission: Bislang wird ein ACKNOWLEDGEMENT und NOT ACKNOWLEDGEMENT als Empfangsbestätigung vorgesehen. Hierbei wird ein nicht bestätigter Block in der selben Länge und mit der selben Energie nochmals gesendet. In dem Fall ist es nicht möglich, eine Retransmission parallel zu einer Neu­ übertagung zu senden, indem man sich die Symbole des komple­ xen Basisbandes teilt.
Anders ist es jedoch, wenn der Empfänger (Mobiles Terminal) zurückmelden kann, dass nur wenig Energie fehlt, um den ge­ samten Block decodieren zu können. Dazu kann der gesamte Block mit reduzierter Energie, d. h. zum Beispiel mit einer geringeren Codierrate und/oder mit einer anderen Modulation nochmals gesendet werden, insbesondere als Teil einer mittels einer höherwertigeren Modulation übertragenen Information. Dabei können sowohl mehrere Retransmissionen miteinander als auch Retransmissionen mit Erstübertragungen kombiniert wer­ den. Zusätzlich kann man die Bits der retransmission auf weniger zuverlässigen bit Positionen der Symbole senden und die Bits der Erstübertragung auf den zuverlässigeren Bit- Positionen. Die Rate Matching und Multiplexer Blöcke werden anhand des Acknowledgements und ggf. weiterer Informationen, die der Basisstation vorliegen, gesteuert. Solche Informa­ tionen können z. B. mit der maximalen Anzahl an Retransmis­ sionen, Protokoll-Stalling und/oder Speicherverbrauch zusam­ menhängen.
Fig. 6 soll dieses gleichzeitige Senden von neuen Daten­ blocks und retransmissions beispielhaft veranschaulichen. Zuerst soll Datenblock 1 gesendet werden (Fig. 6a). Dieser wird vorher encodiert, dann mittels rate matching auf die Blocklänge gebracht, die dann auch physikalisch gesendet wird. Der gesendete Datenblock besteht aus zuverlässigen und weniger zuverlässigen bit Positionen. Anschließend wird Da­ tenblock 2 gesendet (Fig. 6b), der dieselbe Encodierung und das selbe rate matching erfährt. Angenommen, daß dem Sender jetzt mitgeteilt wird, dass die Decodierung von Datenblock 1 knapp gescheitert ist, muss nun eine retransmission erfolgen. Nach dem bisherigen Standard wird der nächste Datenblock, al­ so Datenblock 3 gesendet (Fig. 6c) und anschließend erst die retransmission. Für die retransmission wird die selbe Energie wie vorher verwendet und somit Energie (Fig. 6d). Durch die­ se Ausgestaltung der Erfindung wird ermöglicht, dass gleich­ zeitig Datenblock 3 und die retransmission gesendet wird, wo­ bei der retransmission eine angemessene (geringere) Energie (Codierung, bit Position der Symbole) zugeteilt wird (Fig. 6f).
Jedem Block stehen dabei bei einer Neuübertragung dann weni­ ger bits pro Symbol zur Verfügung. Bei einer intelligenten Verteilung der zu sendenden bits wird man pro Zeiteinheit mehr Informationsbits übertragen als wenn man beide Blöcke sequentiell senden wird. Bei einer sequentiellen Übertragung würde die retransmission u. a. auf zuverlässige bits verteilt werden, was eine Verschwendung der Energie bedeuten könnte.
In Abhängigkeit der Acknowledgements und/oder weiterer Infor­ mationen wird bei Retransmissionen entschieden, wie viele und welche Bits (systematische Bits, Parity-Bits, zuvor durch Punktierung entfallene Bits usw.) mit welcher Modulation übertragen werden. Bei gegebener Modulation kann die der Retransmission zugeordnete Energie durch die Codierrate und die Zuordnung der Bits der Retransmission zu den Bits eines jeden Symbols gesteuert werden. Wenn für eine Retransmission wenig Energie benötigt wird, eignet sich eine höherwertigere Modulation, bei der die Retransmission bevorzugt die unzuver­ lässigen Bits belegt. Die zuverlässigeren Bits können bei­ spielsweise für die Übertragung neuer Information verwendet werden. Gibt es jedoch keine weitere neue Information, so kann auch, wenn eine höhere Coderate verwendet wird und somit weniger Bits als bei der Erstübertragung vorliegen, eine nie­ derwertigere Modulation mit im Allgemeinen entsprechend nied­ rigerer Sendeleistung gewählt werden. Wenn der Kanal den Wechsel auf eine robustere Modulation zweckmäßig erscheinen lässt, so kann für die Retransmission auch eine niederwerti­ gere Modulation und eine im Allgemeinen entsprechend höhere Coderate gewählt werden. Dabei bleibt die Länge des Code­ blocks konstant, und Soft Combining ist möglich.
Um den Signalisierungsaufwand für das acknowledgement zu be­ grenzen, könnten 2 bit verwendet werden, so dass sich insge­ samt 4 Zustände übermitteln lassen. Tabelle 1 zeigt dies bei­ spielhaft.
Tabelle 1
Beispiel für 2-bit Acknowledgement
Basierend auf dieser Rückmeldung kann nun die Modulationsart und Codier-Rate so eingestellt werden, dass durch die retransmission ungefähr die noch benötigte Energie übermit­ telt wird. In Tabelle 2 wird ein Ausführungsbeispiel für HSDPA mit der Rahmenlänge 3.33 ms unter Verwendung eines Codes gezeigt. Wird das Modulations- und Codier-Schema (AMCS) nur innerhalb eines Blockes (d. h. innerhalb MCS Varianten mit gleicher führender Ziffer) umgeschaltet, bleibt die Länge des Code-Blocks erhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass trotz einer Änderung der Modulation und Codierung die Erstübertra­ gung (Abkürzung: init. tr. für initial transmission) und die retransmission (Abkürzung: retr.) mittels sog. "soft combi­ ning" überlagert werden können. Damit erhöht sich die Leis­ tungsfähigkeit des Turbo-Decodier-Vorgangs erheblich. Die letzte Spalte in Tabelle 2 zeigt beispielhaft, welches Acknowledgement (NAK1, NAK2, NAK3) zu welcher Variante des ursprünglichen MCS führen kann. Falls keine retransmission notwendig ist, werden jeweils die in fett gedruckten Basis- MCS verwendet. Da die retransmissions mit jeweils angepasster Codier-Rate übertragen werden, kann hier auch von der Mög­ lichkeit gebrauch gemacht werden, hierzu disjunkte Mengen von parity bits zu verwenden. Bei der Retransmission brauchen keine systematischen Bits übertragen zu werden (bekannt als Hybrid ARQ Type II). Generell eignet sich dieses Verfahren jedoch für verschiedene ARQ (engl. Automatic Repeat Request)- Verfahren, z. B. incremental redundancy und Chase combining.
Tabelle 2
Beispiel für die Umschaltung von Modulation und Codier-Rate bei gleichbleibender Größe der Code-Blöcke)
Neben der Modulations- und Codier-Raten-Anpassung kann jedoch die Übertragungszuverlässigkeit zusätzlich noch durch die Zu­ ordnung zu verschiedenen Bits innerhalb der übertragenen Sym­ bole gesteuert werden. Tabelle 3 zeigt eine mögliche Zuord­ nung. Die zur Weiterverarbeitung unbedingt benötigten header bits werden generell auf zuverlässige Bitpositionen gelegt. Ansonsten kann vorzugsweise z. B. der Erstübertragung (init. tr.) eine höhere Zuverlässigkeit zugewiesen werden. Die Zu­ ordnungsvorschriften in Klammern werden nur angewandt, falls keine Bits mit der ursprünglich vorgesehenen Zuverlässig­ keitsklasse mehr zur Verfügung stehen.
Tabelle 3
Beispiel für die Bitzuordnung bei paralleler Über­ tragung zweier Datenströme
Im folgenden wird eine Weiterbildung der Erfindung beschrie­ ben, welche aber auch unabhängig von der Erfindung eine ei­ genständige weitere Erfindung darstellt und an dieser Stelle daher sowohl als Weiterbildung der Erfindung als auch als ei­ genständige weitere Erfindung offenbart wird.
Im weiteren werden auch folgende Abkürzungen verwendet:
BPSK = Binary Phase Shift Keying
DQPSK = Differential QPSK
EGPRS = Enhanced GPRS
GPRS General Packet Radio Service
GSM = Global System for Mobile Communications
HSDPA = High Speed Downlink Packet Access
LSB = Least Significant Bit
MAC = Media Access Control
MSB = Most Significant Bit
PSK = Phase Shift Keying
RLC = Radio Link Control
QPSK = Quadrature Phase Shift Keying
QAM = Quadratur-Amplitudenmodulation
Bei der Datenübertragung sind nicht immer alle zu übertragen­ den Bits gleich wichtig. Bits, bei denen Übertragungsfehler besonders nachteilig sind und die deshalb einen hohen Fehler­ schutz verdienen, könnten beispielsweise sein:
  • - Header-Bits, insbesondere bei Verwendung von Incremental Redundancy. Wenn der Header nicht erfolgreich dekodiert werden kann, können die Soft Values der Payload nicht zu­ geordnet werden und sind somit wertlos.
  • - Signalisierung-Bits, insbesondere für MAC. Übertragungs­ fehler z. B. bei der Leistungsregelung (Power Control) oder der Kanalzuweisung (z. B. Uplink State Flag bei GPRS) kön­ nen die Interferenz in einem Mobilfunknetz erhöhen.
  • - systematische Bits bei Turbo-Codierung
  • - Bits eines Blocks am unteren Ende des Fensters (RLC win­ dow), wenn ein Stopp der Übertragung neuer Blocks (Stal­ ling) wegen Erreichen der maximalen Fenstergröße droht.
  • - Bits eines Echtzeit-Dienstes, bei dem eine Retransmission nicht möglich ist
  • - höherwertige Bits von Zahlen, bei denen kleine Fehler we­ niger ins Gewicht fallen als große, insbesondere solchen, die einer physikalischen Größe zugeordnet sind, z. B. Hel­ ligkeitswert eines Pixels, Abtastwert eines Audiosignals oder Filterkoeffizient für einen Vocoder.
Eine geringe Übertragungssicherheit wäre zum Beispiel tole­ rierbar bei Retransmissions mit Incremental Redundancy, ins­ besondere dann, wenn der Sender weiß, dass der Empfänger nur noch wenig Redundanz für die erfolgreiche Dekodierung benö­ tigt.
Bei der Datenübertragung mit höherwertigen Modulationen wie 8-PSK, 16-QAM, 64-QAM usw. ist die Bitfehlerwahrscheinlich­ keit aber auch nicht für alle Bits innerhalb eines Symbols gleich, insbesondere dann, wenn man die Zuordnung von Bitkom­ bination zu einem Symbolpunkt im Konstellationsdiagramm auf minimale Bitfehlerwahrscheinlichkeit hin optimiert.
Bei GSM werden die Audiobits entsprechend ihrer Wichtigkeit für die Tonqualität stärker, schwächer oder auch gar nicht geschützt. Dies ist als "unequal error protection" bekannt und wird durch ungleich starke Codierung erreicht.
Beim Rate-Matching von W-CDMA werden vorzugsweise die weniger wichtigen Parity Bits durch Lochung (Puncturing) entfernt.
Bei EGPRS werden die zum RLC/MAC-Header gehörigen Bits über die zuverlässigsten Bits der 8-PSK übertragen.
Beim digitalen Rundfunk wird von einer Standard-Konstellation wie der der 16-QAM gezielt im Sinne einer hierarchischen Mo­ dulation abgewichen, um besonders sichere Bits zu haben, mit denen unter schwierigen Empfangsbedingungen zumindest eine Wiedergabe in eingeschränkter Qualität (z. B. monofon mit niedriger Bandbreite, schwarz/weiß mit niedriger Auflösung) möglich ist.
Bei der Standardisierung von HSDPA ist vorgeschlagen, soweit möglich die systematischen Bits des turbo-codierten Daten­ stroms über diejenigen Bits innerhalb eines Symbols zu über­ tragen, die die niedrigste Bitfehlerwahrscheinlichkeit haben. Außerdem ist vorgeschalgen, das Acknowledgement bei Incremen­ tal Redundancy nicht binär, sondern mit einer Schätzung, wie viel Redundanz noch benötigt wird, zu übertragen, und dement­ sprechend die Sendeleistung bei der Retransmission ggfls. zu reduzieren.
Verfahren zur Vermeidung von Nulldurchgängen bei QPSK und 8-PSK sind als Offset-QPSK, pi/4-DQPSK und 3pi/8-8PSK bekannt.
Die Weiterbildung der Erfindung bzw. die weitere Erfindung sieht folgendes vor:
Die Punkte im Konstellationsdiagramm werden bei einer m- wertigen Modulation für k besonders schützenswerte Bits pro Symbol (k < m) in 2k Cluster gruppiert. Die Anzahl der Cluster und die Abstände können dynamisch verändert werden, insbeson­ dere, wenn die Konstellation dem Empfänger übermittelt wird, beispielsweise digital vorab oder durch eine Demonstration in einer Trainingssequenz, Präambel oder Ähnlichem. Dadurch kann die Übertragungssicherheit der einzelnen Bits eines Symbols verändert werden.
Wenn innerhalb eines Datenstroms Bits eines ungleichmäßigen Schutzes bedürfen (beispielsweise 8 Bits für den Grauwert ei­ nes Pixels), dann sollten diese Bits geeignet auf die Bits der Sendesymbole verteilt werden. Dies kann zum Beispiel durch ein Interleaving erreicht werden, das auf die Wichtig­ keit der Bits im zu übertragenden Datenstrom und die Übertra­ gungssicherheit der einzelnen Bits eines Sendesymbols abge­ stimmt ist, also wichtige Bits im zu übertragenden Datenstrom bevorzugt auf sichere Bits in den Sendesymbolen umsortiert.
Im Gegensatz zu pi/4-DQPSK und Offset-QPSK sind bei einer normalen 16-QAM die Rotation oder der zeitliche Versatz zwi­ schen Inphase- und Quadraturkompenente als Verfahren zur Ver­ minderung des Peak-to-Minimum-Ratios nicht sehr wirksam. Hin­ gegen können diese Verfahren bei einer hierarchischen Modula­ tion wie beispielsweise der in Fig. 4c dargestellten 16-QAM mit größerer Wirkung genutzt werden.
Der unterschiedliche Fehlerschutz der verschiedenen Bits lässt sich beispielsweise erreichen durch
  • 1. Zuordnung von ungleich wichtigen Bits zu ungleich sicheren Bits innerhalb eines Symbols,
  • 2. gezielt inhomogene Anordnung der Symbolpunkte im Konstel­ lationsdiagramm,
  • 3. höhere oder niedrigere Coderate, z. B. durch mehr oder we­ niger aggressives Puncturing bei den zugehörigen Parity Bits.
Neu ist hier, bei der mobilen Telefonie die Übertragungssi­ cherheit von (mindestens) einem Bit innerhalb eines Sendesym­ bols gezielt auf Kosten der Übertragunssicherheit (mindes­ tens) eines anderen Bits des gleichen Symbols zu erhöhen. Der sich dann - bei den meisten Beispielen als hierarchische Mo­ dulation ergebende - ungleichmäßige Fehlerschutz wird kombi­ niert mit der Idee,
  • - Payload-Daten mit unterschiedlichen Fehlerschutzanforde­ rungen parallel zu übertragen,
  • - die Bits der Symbole in sichere und unsichere zu separie­ ren und
  • - über die unsicheren Bits bevorzugt die Daten zu übertra­ gen, bei denen eine höhere Bitfehlerrate oder schlechte Soft Values tolerierbar sind.
Neu sind ferner einige Konstellationen im komplexen Basisband sowie die Möglichkeit, die Verzerrung der Konstellationen dy­ namisch an die Erfordernisse der zu übertagenden Daten anzu­ passen.
Diese Weiterbildung bzw. eigenständige Erfindung sei im fol­ genden anhand von Ausführungsbeispielen, die anhand der Fig. 7 bis 10 erläutert werden, beschreiben:
Die Kreuze in den Figuren markieren dabei die Symbolpunkte, und die Kreise um die Kreuze kennzeichnen den Mindestabstand, den eine Entscheidungsschwelle vom jeweiligen Symbolpunkt ha­ ben sollte.
Bei einer Gray-codierten 8-PSK unterscheiden sich benachbarte Symbole in maximal einem Bit. Dadurch kommen, wenn der Emp­ fangsvektor in einem benachbarten Symbol endet, bei Hard De­ cision immerhin noch zwei von drei Bits richtig an. Es gibt zwei eher sichere und ein eher unsicheres Bit, aber keine so großen Bitfehlerwahrscheinlichkeitsunterschiede wie bei einer hierarchischen Modulation. Fig. 7a zeigt ein Konstellations­ diagramm für eine andere Modulation mit 8 verschiedenen Sym­ bolen (3 bit). Hier ist ein Symbol in die Mitte platziert, wodurch sich im Vergleich zu 8-PSK bei gleicher mittlerer Sendeleistung die Abstände zwischen den benachbarten Symbolen vergrößern. Das Symbol 000 in der Mitte unterscheidet sich von den Symbolen außen herum in bis zu drei Bits, aber dies wird bei gutem Störabstand durch den größeren Abstand zu den anderen Symbolen mehr als ausgeglichen. Jedoch grenzen an der rechten Seite zwei Symbole aneinander, die sich in zwei Bits unterscheiden.
Bild 7b zeigt eine Abhilfe: Der Kreis außen herum wird an dieser Entscheidungsgrenze einen Spalt weit geöffnet, so der größeren Hamming-Distanz der benachbarten Symbole durch eine größere euklidische Distanz im Konstellationsdiagramm Rech­ nung getragen wird.
In Bild 7c sind die Symbole mit Hamming-Distanz 1 wieder nä­ her zusammengerückt. Der Abstand zwischen den Symbolen 000 und 111 ist besonders groß.
Bild 7d zeigt eine Modifizierung in Richtung auf eine hierar­ chische Modulation. Dabei wird angenommen, dass das linke Bit (MSB) besonders schützenswert sei. Die Symbole 001 und 010 un­ terscheiden sich in jeweils nur einem Bit vom Symbol 000 und dürfen deshalb nahe an ihm positioniert werden. Die Symbole 110, 111, 101 und 100 unterscheiden sich im MSB von den vier anderen Symbolen und werden deswegen von diesen etwas sepa­ riert.
Zweckmäßigerweise wird der Schwerpunkt der Konstellation in den Ursprung gelegt, damit, wenn im Mittel alle Symbole gleich häufig gesendet werden, keine Leistung für den Träger vergeudet wird.
Fig. 8a zeigt eine etwas andere Anordnung der 8 Symbole. Bei Fig. 8b werden die Symbole mit MSB = 0 von denen mit MSB = 1 et­ was abgerückt, um das MSB besser zu schützen. In Fig. 8c ist auch das mittlere Bit besser geschützt als das LSB. Dies ent­ spricht einer QPSK, der eine BPSK mit niedriger Leistung überlagert ist.
Fig. 9a zeigt eine 4-QAM, bei der beide Bits gleiche Übertra­ gungssicherheit haben. Diese Konstellation kann man sich auch als aus zwei orthogonalen BPSKs zusammengesetzt vorstellen, die eine in der Inphase-, die andere in der Quadraturkompo­ nente. Wenn man die Gesamtleistung, welche für die Interfe­ renz im Mobilfunknetz maßgeblich ist, konstant lässt, d. h. die Punkte nur auf einem Kreis um den Ursprung verschiebt, und die Leistung der BPSK in der Inphasekomponente zugunsten der in Quadraturkomponente senkt (Fig. 9b), ergibt sich ein höhere Zuverlässigkeit für das MSB auf Kosten der Übertra­ gungssicherheit des LSBs. Hier braucht der Empfänger nicht zu wissen, wie die Leistungen verteilt sind; jedoch könnte mit dieser Kenntnis bei Festkommaarithmetik der Wertebereich für die Soft Values (Equaliser soft outputs) u. U. besser ange­ passt werden.
Fig. 10a zeigt das typische Konstellationsdiagramm einer 16- QAM. In Fig. 10b wurde die Störsicherheit des MSBs auf Kosten der des LSBs erhöht. Es gibt somit ein besonders sicheres, zwei normale und ein besonders unsicheres Bit. Das Diagramm zeigt zwei Cluster, das eine oben, das andere unten. In Fig. 10c gibt es je zwei sichere und zwei unsichere Bits. Hier gibt es vier Cluster. Man kann sich diese 4 Cluster als die 4 Symbolpunkte einer QPSK vorstellen, die die beiden sicheren Bits transportiert.
Bei einer dynamischen Änderung der Konstellation kann man drei verschiedene Größen konstant lassen.
  • 1. Der Spitzenwert wird konstant gelassen. Dann steigt die mittlere Sendeleistung an. Dies ist insbesondere bei Cove­ rage Limitation möglich. Die Übertragungssicherheit der sicheren Bits verbessert sich erheblich. Der Empfänger muss wissen, wie weit die Symbolpunkte im Konstellations­ diagramm verschoben wurden, um seine Entscheidungsschwelle richtig legen zu können. Falls die Anordnung variabel sein soll, muss dem Empfänger also die verwendete Konstellation mitgeteilt werden.
  • 2. Die Sendeleistung bleibt konstant. Auch hier muss der Emp­ fänger die neue Konstellation kennen.
  • 3. Die Mittelpunkte der Cluster werden nicht geändert. Da­ durch sinkt die Sendeleistung bei der Verzerrung des Mus­ ters wie in Fig. 4b und 4c etwas ab. Bei Hard-Decision könnte zunächst das Cluster und danach die Position inner­ halb des Clusters entschieden werden, wenn nur die Clustermittelpunkte bekannt sind. Für eine präzise Berech­ nung von Soft Values muss der Empfänger aber auch hier die Konstellation kennen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht ausschließlich auf eine Mobilfunkübertragung zwischen einer Basisstation und einem Endgerät, sondern auch auf jede andere Übertragung zwi­ schen mindestens zwei Sende-/Empfangseinrichtungen. Die Über­ tragung braucht nicht über einen Funkkanal zu erfolgen, son­ dern kann beispielsweise auch drahtgebunden stattfinden. Die Sende-/Empfangseinrichtungen brauchen nicht, können aber gleichberechtigt sein.
Neben den oben erläuterten Ausführungsvarianten der Erfindung liegt eine Vielzahl weiterer Ausführungsvarianten im Rahmen der Erfindung, welche hier nicht weiter beschrieben werden, aber anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele einfach in die Praxis umgesetzt werden können.
In dieser Anmeldung wird auf folgende Dokumente Bezug genom­ men. Dabei bezeichnen:
[Panasonic]
Panasonic, TSG-RAN Working Group 1 Meeting #19, Las Vegas, USA, February 27-March 2, 2001, Tdoc TSGR1#19(01)0237; "En­ hanced HARQ Method with Signal Constellation Rearrangement"
[Samsung]
Samsung Electronics Co., 3GPP TSG RAN WG1/WG2 Joint Meeting on HSDPA, Sophia Antipolis, FR, April 5-6, 2001, Tdoc 12A010044, "Enhanced Symbol Mapping method for the modulation of Turbo-coded bits based on bit priority"
[HSDPA_physical]
3G TR25.848 V0.6.0(2000-05)
3rd Generation Partnership Project;
Technical Specification Group Radio Access Network;
Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Ac­ cess
TSG-RAN Working Group1 meeting#19, Tdoc TSGR1#19(01)0430 Las Vegas, USA, 27th Feb.-2nd March 2001
[HSDPA_overall]
3GPP TR 25.855 V0.0.1(2001-04)
Technical Report
3rd Generation Partnership Project;
Technical Specification Group Radio Access Network;
High Speed Downlink Packet Access:
Overall UTRAN Description
(Release 5)

Claims (9)

1. Verfahren zur Übertragung von Daten, umfassend die folgen­ den Schritte:
  • - Gliederung von Daten in Datenpakete
  • - Kodierung der Datenpakete in einer Sendestation
  • - Zuordnung der kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen
  • - Übertragung dieser Modulationssymbole über eine Kommunika­ tionsstrecke, insbesondere Funkkommunikationsstrecke
  • - Empfang und Demodulation der übertragenen Modulationssym­ bole in einer Empfangsstation
  • - Dekodierung der Datenpakete
  • - Bestätigung bzw. nicht-Bestätigung der empfangenen Daten­ pakete von der Empfangsstation an die Sendestation
  • - wiederholte Übertragung eines der nicht bestätigten Daten­ pakete, wobei die Übertragungsparameter für eine wieder­ holte Übertragung von den Übertragungsparameter der ersten Übertragung unterschiedlich sein können,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung von kodierten Daten zu bit-Positionen in­ nerhalb von Modulationssymbolen in Abhängigkeit davon vorge­ nommen wird, ob das entsprechende Datenpaket zum ersten mal, oder zum wiederholten mal übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer nicht-Bestätigung eines Datenpakets zu­ sätzlich zu einer wiederholten Aussendung dieses Datenpa­ kets auch ein weiteres Datenpaket übertragen wird.
3. Verfahren zur Übertragung von Daten, umfassend die folgen­ den Schritte:
  • - Gliederung von Daten in Datenpakete
  • - Kodierung der Datenpakete in einer Sendestation
  • - Zuordnung der kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen
  • - Übertragung dieser Modulationssymbole über eine Kommunika­ tionsstrecke, insbesondere Funkkommunikationsstrecke
  • - Empfang und Demodulation der übertragenen Modulationssym­ bole in einer Empfangsstation Dekodierung der Datenpakete
  • - Bestätigung bzw. nicht-Bestätigung der empfangenen Daten­ pakete von der Empfangsstation an die Sendestation
  • - wiederholte Übertragung eines der nicht bestätigten Daten­ pakete, wobei die Übertragungsparameter für eine wieder­ holte Übertragung von den Übertragungsparameter der ersten Übertragung unterschiedlich sein können,
dadurch gekennzeichnet, dass nach einer nicht-Bestätigung eines Datenpakets zusätz­ lich zu einer wiederholten Aussendung dieses Datenpakets auch ein weiteres Datenpaket übertragen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer nicht-Bestätigung eines Datenpakets zusätz­ lich eine Information über die Empfangs-Qualität dieses Datenpakets übertragen wird, und bei dem die Zuordnung von Kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulati­ onssymbolen in Abhängigkeit von dieser übermittelten Emp­ fangsqualität vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsqualität durch insgesamt 4 Zustände über­ mittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Qualität einer früheren Über­ tragung zusätzlich zu einer wiederholten Aussendung dieses Datenpakets auch mindestens ein weiteres Datenpaket über­ tragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Anzahl der Wiederholungen ei­ nes Datenpaketes zusätzlich zur einer wiederholten Aussen­ dung dieses Datenpakets auch mindestens ein weiteres Da­ tenpaket übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung von kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen in Abhängigkeit davon vorgenommen wird, ob es sich bei den Daten um Organisati­ onsdaten (Header) handelt, welche eine Information über die gerade verwendeten Übertragungsparameter enthalten.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kodierung ein Turbokoder verwendet wird, und die Zuordnung von Kodierten Daten zu bit-Positionen innerhalb von Modulationssymbolen in Abhängigkeit davon vorgenommen wird, ob es sich um parity oder systematische Bits han­ delt.
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