DE102006015514A1

DE102006015514A1 - Verfahren zur gesicherten Übertragung von Nachrichten

Info

Publication number: DE102006015514A1
Application number: DE200610015514
Authority: DE
Inventors: Alexander Arkhipov; Armin Dr. Dammann; Ronald Raulefs
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: DE102006015514B4

Abstract

Die in Form von digitalen Datenpaketblöcken aufbereiteten und mit Redundanzinformation versehenen Nachrichten werden von einer ersten Sende-/Empfangsstation zu einer zweiten Sende-/Empfangsstation unter Verwendung von H-ARQ übertragen, bei dem in der zweiten Sende-/Empfangsstation als fehlerhaft erkannte Datenpaketblöcke wiederholt bei der ersten Sende-/Empfangsstation angefordert und von dort erneut übertragen werden. Beim ersten Versenden der Datenpaketblöcke wird zur Codierung und Generierung der Datensymbole der sogenannte Gray-Mapping-Algorithmus oder ein anderer Abbildungsalgorithmus verwendet, der eine maximal hohe Apriori-Information gewährt. Im Empfänger der zweiten Sende-/Empfangsstation wird auf der gemeinsamen Basis der Apriori-Information und des jeweiligen Signal/Stör-Verhältnisses eine Entscheidung dahingehend getroffen, einen iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus anzustoßen. Anwendung beim Mobilfunk und allgemein bei der drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesicherten drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung von in Form von digitalen Datenpaketblöcken aufbereiteten und mit Redundanzinformation versehenen Nachrichten von einer ersten Sende/Empfangsstation zu einer zweiten Sende-/Empfangsstation unter Verwendung eines sogenannten hybriden ARQ(Automatic Repeat Request)-Verfahrens (H-ARQ), bei dem in der zweiten Sende-/Empfangsstation als fehlerhaft erkannte Datenpaketblöcke wiederholt bei der ersten Sende-/Empfangsstation angefordert und von dort erneut übertragen werden, wobei unter Ausnutzung der Tatsache, dass auch fehlerhaft übertragene Datenpaketblöcke noch zu einem Informationsgewinn bei der Nachrichtendecodierung beitragen können, Datenpaketblöcke, deren Übertragung fehlgeschlagen ist, nicht verworfen, sondern im zweiten Sender-/Empfänger zwischengespeichert und dort in geeigneter Weise mit Datenpaketblock-Versionen, die bei der erneuten Übertragung eingehen, gezielt kombiniert werden.
Das seit langem bekannte ARQ(Automatic Repeat Request)-Verfahren ist ein gesichertes Datenübertragungsverfahren, bei dem der Empfänger Fehler erkennt und um Übertragungswiederholung nachsucht. Im Fehlerfall oder bei Nichteintreffen der Datenpakete wird eine automatische Wiederholung der Sendung ausgelöst. Im normalen, fehlerfreien Betrieb sendet der Empfänger nach jedem Datenpaket eine positive Rückmeldung. Nach dessen Empfang sendet der Sender das nächste Datenpaket. Ist ein Datenpaket fehlerhaft oder ganz ausgeblieben, dann sendet der Empfänger eine negative Rückmeldung und der Sender sendet erneut das gleiche Datenpaket. Fehlerhaft übertragene Datenpakete werden bei ARQ somit durch den Empfänger wiederholt angefordert.
In dem Buch von S. Wicker: "Error Control Systems for Digital Communications and Storage", Englewood Cliffs, N.J. (USA), Prentice-Hall, 1995, wird das sogenannte "Hybrid Automatic Repeat Request" (H-ARQ) eingehend vorgestellt. Es ist eine Technik, die es erlaubt, durch wiederholtes gezieltes Senden die gleichen Datensignale zu kombinieren (Chase Combining) oder durch Übertragen von zusätzlicher Redundanzinformation die eigentlichen Dateninformation stärker zu schützen bzw. die Fehler besser zu korrigieren. Die letztgenannte Möglichkeit ist im Aufsatz von J. Hagenauer: "Rate compatible punctured convolutional codes (RCPC) and their application", IEEE Trans. Comm., Vol. 36, Seiten 389–400, April 1998, beschrieben. Bei H-ARQ handelt es sich um ein Verfahren zur Kanalcodierung, bei dem FEC (Forward Error Control) und ARQ (Automatic Repeat Request) kombiniert werden.
Die sogenannte codierte bitverwürfelte Modulation (BICM; Bit-interleaved Coded Modulation) beschreibt eine Verbindung von Kanalcodierung, einem Interleaver, d.h. einem Verwürfeler, und einem Symbolmapper, d.h. einer Symbolabbildungseinrichtung. Beispielsweise wurde in dem Aufsatz von E. Zehavi: "8-PSK trellis codes for a Rayleigh channel", IEEE Trans. Commun., Vol. 40, Seiten 873 bis 884, Mai 1992, und im Aufsatz von G. Caire, G. Taricco, E. Biglieri: "Bit interleaved coded modulation", IEEE Trans. Inform. Theory, Vol. 44, Seiten 927 bis 946, Mai 1998, deutlich gemacht, dass dem Abbilden der Symbole auf bestimmte Bitsequenzen eine gewichtige Rolle beikommt. Durch die in dem Artikel von S. ten Brink: "Convergence of iterative decoding", Electron. Lett., Vol. 35, Nr. 10, Seiten 806 bis 808, Mai 1999, beschriebenen EXIT-Charts wurde ein Tool geschaffen, welches Richtlinien angibt, um iterative Abbilde- und Deco dier-Verfahren zu untersuchen. In dem Artikel von A. Chindapol, J.A. Ritcey: "Design, analysis and performance evaluation for BICM-ID with square QAM constellation in Rayleigh fading channels", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 19(5):944–957, Mai 2001, wurde das sogenannte "Anti-Gray Mapping" vorgestellt. Dies erlaubt einen verbesserten Decodier- und Abbildungsalgorithmus in Verbindung mit einem iterativen Ansatz. In dem Artikel von F. Schreckenbach, N. Goertz, J. Hagenauer, G. Bauch "Optimized Symbol Mappings for Bit-interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding", Proc. of IEEE Globecom Conference, San Francisco, CA (USA), 1.–3. Dezember, 2003, wurde das Modified-Set-Partitioning(MSP)-Verfahren vorgestellt, welches auch für höhere Modulationskardinalitäten, wie z.B. die 16-Quadratur-Amplituden-Modulation (16-QAM), angewendet werden kann. Auch hier ist in Verbindung mit einem kombinierten iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit möglich.
Iterative Decodierverfahren wurden beispielsweise in den Artikeln von S. Kaiser and J. Hagenauer: "Multi-carrier CDMA with iterative decoding and soft interference cancellation", Proc. IEEE Global Telecommun. Conf. (GLOBECOM'97), Seiten 6 bis 10, Nov. 1997, und von X. Wang and H. V. Poor: "Iterative (turbo) soft interference cancellation and decoding for coded CDMA", IEEE Trans. on Commun., Vol. 47, Nr. 7, Seiten 1046 bis 1061, Juli 1999, im Zusammenhang mit weicher (soft) Interferenzauslöschung von störenden Datensignalen benachbarter Nutzer betrachtet.
Die drahtlose Datenkommunikation ist in der Regel paketbasiert. Wenn ein Datenpaket im Empfänger nicht decodiert werden kann, so muss es erneut durch den Empfänger beim je weiligen Sender angefordert und von dort entweder nochmals gesendet werden oder mittels neu gesendeter Redundanzbits korrigiert werden. Das zumeist angewandte Gray-Mapping zum Abbilden der zu übertragenden Bits auf ein Datensymbol hat den Nachteil, dass ein iterativer Decodieralgorithmus, der auch die Abbildungseigenschaften mitberücksichtigt, vom wiederholten Senden des gleichen Datensymbols nicht profitiert. Dies kann zwar beispielsweise durch das bereits vorher erwähnte Chase-Combining erreicht werden, allerdings nur mit hohem Verlust der spektralen Effizienz. Diese hohe spektrale Ineffizienz wird dadurch erhalten, dass alle Datensymbole, also auch die bereits perfekt decodierten Datensymbole, eines Datenpakets, insbesondere in einem Mehrnutzer Code-Division-Multiplex(CDM)-System, die gleichen sein müssen.
In dem bereits erwähnten Artikel von F. Schreckenbach, N. Goertz, J. Hagenauer, G. Bauch "Optimized Symbol Mappings for Bit-interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding" wird aufgezeigt, dass verschiedene Abbildungsalgorithmen mit unterschiedlicher Apriori-Information unterschiedlichen Nutzen daraus ziehen. Das erwähnte Gray-Mapping kann nur einen sehr kleinen Nutzen daraus ziehen. Eine Alternative dazu ist z.B. das ebenfalls bereits vorher erwähnte Modified-Set-Partitioning(MSP)-Verfahren, welches sehr großen Nutzen daraus zieht, wenn diese Apriori-Information größer als null ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein spektral effizientes Verfahren zur gesicherten drahtlosen oder draht- gebundenen Übertragung von in Form von digitalen Datenpaketen aufbereiteten und mit Redundanzinformation versehenen Nachrichten so zu gestalten, dass sich eine perfekte Deco dier- und Detektionsmöglichkeit auf der Empfangsseite ergibt, wobei auch eine Einsatzmöglichkeit beim zellularen Mobilfunk besteht.
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur gesicherten drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass beim ersten Versenden der Datenpaketblöcke zur Codierung und Generierung von Datensymbolen der sogenannte Gray-Mapping-Algorithmus oder ein anderer Abbildungsalgorithmus verwendet wird, der eine maximal hohe Apriori-Information für den nächsten Decodier-Iterationsschritt gewährt, und dass im Empfänger der zweiten Sende/Empfangsstation auf der gemeinsamen Basis der Apriori-Information und des jeweiligen Signal/Stör-Verhältnisses eine Entscheidung dahingehend getroffen wird, einen iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus anzustoßen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird somit ein ARQ-Verfahren mit einem iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus verbunden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass beim ersten Versenden eines Datensymbols das Gray-Mapping oder ein anderer Abbildungsalgorithmus verwendet wurde, welcher eine maximal hohe Apriori-Information gewährt, ohne dass Apriori-Information vorhanden ist. Das Gray-Mapping gewährt die meiste Apriori-Information, wenn keine Apriori-Information zuvor gegeben ist. Wenn das Datensymbol vom Empfänger nicht optimal decodiert werden konnte, so wird dieses erneut angefordert. Da dann bereits Apriori-Information vorhanden ist, kann nun eventuell auch ein anderer Abbildungsalgorithmus genutzt werden. Ein Beispiel wäre ein Symbol, das mittels des MSP(Modified Set Partitioning)-Abbildungsalgorithmus gene riert wird. Der Empfänger nutzt beim Empfang, die bereits gewonnene Apriori-Information aus dem Datensymbol mit Gray-Mapping, um das Datensymbol sicherer zu decodieren. EXIT-Charts gewähren eine Einsicht in das Verhalten der Nutzung der Apriori-Information.
Neben der Apriori-Information ist aber auch das existierende Signal/Stör-Verhältnis im Hinblick auf die Frage relevant, ob der Empfänger das Datensignal auch sicher decodieren kann oder nicht. Da der Sender neben dem Abbildungsalgorithmus auch über eine Adaptionsmöglichkeit der Sendeleistung verfügt, kann somit eine Entscheidung auf Basis der Apriori-Information und des jeweiligen Signal/Stör-Verhältnisses gemeinsam getroffen werden. Letzteres ist notwendig, um dem Empfänger auch die erfolgreiche Möglichkeit zu gewähren, einen iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus erfolgreich anzustoßen. Nur so ist gewährleistet, dass mehrere Iterationen zu einem Erfolg führen. Die Anzahl der Iterationen lässt sich ebenso adaptiv mittels des Signal/Stör-Verhältnisses verändern. Es kann hierbei auch eine Berücksichtigung der Nachbar-Interferenz, in einem Multiple-Access System, hinzugezogen werden, um die Interferenz auf einem minimalen Niveau zu halten.
Die erfindungsgemäß betriebene Kombination von H-ARQ, das mit verschiedenen Abbildungsalgorithmen für die Bits der Datensymbole arbeiten kann, und einem iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus erlaubt mit der das nötige Signal/Stör-Verhältnis betreffenden Information eine perfekte Decodier- und Detektionsmöglichkeit mit minimaler zusätzlicher Interferenz innerhalb einer Mobilfunkzelle.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens nach der Erfindung bestehen insbesondere beim Mobilfunk, aber auch ganz allgemein bei der drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikation.

Claims

Verfahren zur gesicherten drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragung von in Form von digitalen Datenpaketblöcken aufbereiteten und mit Redundanzinformation versehenen Nachrichten von einer ersten Sende-/Empfangsstation zu einer zweiten Sende-/Empfangsstation unter Verwendung eines sogenannten hybriden ARQ(Automatic Repeat Request)-Verfahrens (H-ARQ), bei dem in der zweiten Sende-/Empfangsstation als fehlerhaft erkannte Datenpaketblöcke wiederholt bei der ersten Sende-/Empfangsstation angefordert und von dort erneut übertragen werden, wobei unter Ausnutzung der Tatsache, dass auch fehlerhaft übertragene Datenpaketblöcke noch zu einem Informationsgewinn bei der Nachrichtendecodierung beitragen können, Datenpaketblöcke, deren Übertragung fehlgeschlagen ist, nicht verworfen, sondern im zweiten Sender/Empfänger zwischengespeichert und dort in geeigneter Weise mit Datenpaketblock-Versionen, die bei der erneuten Übertragung eingehen, gezielt kombiniert werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim ersten Versenden der Datenpaketblöcke zur Codierung und Generierung von Datensymbolen der sogenannte Gray-Mapping-Algorithmus oder ein anderer Abbildungsalgorithmus verwendet wird, der eine maximal hohe Apriori-Information gewährt, und dass im Empfänger der zweiten Sende-/Empfangsstation auf der gemeinsamen Basis der Apriori-Information und des jeweiligen Signal/Stör-Verhältnisses eine Entscheidung dahingehend getroffen wird, einen iterativen Decodier- und Abbildungsalgorithmus anzustoßen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nach dem ersten Versenden und Empfangen der Datensymbole bereits Apriori-Information beim Empfänger der zweiten Sende-/Empfangsstation vorhanden ist, auch ein abweichender Abbildungsalgorithmus genutzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als abweichender Abbildungsalgorithmus zum Codieren und Generieren der Datensymbole der sogenannte MSP(Modified Set Partitioning)-Abbildungsalgorithmus verwendet wird, wobei der Empfänger der zweiten Sende-/Empfangsstation beim Empfang die bereits gewonnene Apriori-Information aus dem durch den Gray-Mapping-Algorithmus oder dem anderen, eine maximal hohe Apriori-Information gewährenden Abbildungsalgorithmus erhaltenen Datensymbol nutzt, um das Datensymbol sicherer zu decodieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender der ersten Sende/Empfangsstation neben dem Abbildungsalgorithmus auch über eine Adaptionsmöglichkeit der Sendeleistung verfügt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Iterationen adaptiv mittels des Signal/Stör-Verhältnisses verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei auch eine Berücksichtigung der Nachbar-Interferenz hinzugezogen wird, um die Interferenz auf niedrigstem Niveau zu halten.