-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten.
-
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Übertragungskanal zu einem gemeinsamen Empfänger von mehreren Benutzern zum Senden von Daten zu dem Empfänger verwendet.
-
Aus dem Stand der Technik ist für eine solche Anwendung das Slotted ALOHA-Verfahren bekannt. Beispielsweise kann dieses Verfahren angewendet werden, wenn mehrere Bodenstationen Daten an einen gemeinsamen Satelliten übertragen. Nimmt man an, dass die einzelnen Benutzer untereinander nicht kommunizieren, so ist davon auszugehen, dass sie ihre Datenpakete auf der selben Trägerfrequenz und im selben Zeitabschnitt übertragen können. Ferner wird angenommen, dass kein Code Division Multiple Access-Verfahren verwendet wird. Dies führt dazu, dass Datenpakete, die von verschiedenen Benutzern gesendet werden, auf dem Kommunikationsmedium miteinander kollidieren können, so dass gegenseitige Interferenzen hervorgerufen werden.
-
Im Slotted ALOHA-Verfahren wird die Zeitachse aufgeteilt in Frames der Dauer Tf. Jeder Frame wird ferner in Ns-Zeitschlitze der Dauer Ts = Tf:Ns aufgeteilt. Jeder Benutzer muss die Übertragung seiner Datenpakete in einem Zeitschlitz vornehmen.
-
Das heißt, dass seitens jedes Benutzers eine Synchronisation mit der Frame-Struktur stattfinden muss. Jeder Benutzer überträgt dann seine Daten unabhängig von den anderen Benutzern und wartet auf eine Bestätigung seitens des Empfängers. Wenn keine Bestätigung eingeht, so ist dies gleichbedeutend mit einer Kollision auf dem Kommunikationsmedium. In diesem Fall überträgt der Benutzer sein Datenpaket mit einer zufällig gewählten Verzögerung. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis die Paketübertragung erfolgreich war. Das Slotted ALOHA-Verfahren ist beispielhaft in 1 dargestellt.
-
Eine Weiterentwicklung des Slotted ALOHA-Verfahren ist das Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CRDSA)-Verfahren. Im Unterschied zum Slotted ALOHA-Verfahren überträgt jeder Benutzer zwei Kopien des gleichen Datenpakets innerhalb eines Frames. Dies erfolgt in zwei zufällig ausgewählten Zeitschlitzen. Im Header jedes Datenpakets befindet sich ein Pointer auf die Position des Zwillingspakets, das heißt des Datenpakets mit dem gleichen Inhalt. Wenn eines der Pakete ohne Kollision beim Empfänger eingeht, wird der Pointer durch den Empfänger verwendet, um die Position des Zwillingspakets innerhalb der Frame-Struktur zu identifizieren. Für den Fall, dass das Zwillingspaket eine Kollision erfahren hat, findet ein Interference Cancellation-Prozess statt. Dies erfolgt dadurch, dass die Wellenform des Zwillingspakets durch den Empfänger anhand des korrekt empfangenen Pakets rekonstruiert wird. Diese Wellenform wird von dem empfangenen Signal in dem Zeitschlitz des Zwillingspakets subtrahiert. Dies ist gleichbedeutend mit einem Entfernen der Interferenz, die durch das Zwillingspaket verursacht wurde, so dass das weitere kollidierende Paket in dem Zeitschlitz des Zwillingspakets ohne Interferenz berechnet werden kann. Dieses Paket kann nun dekodiert werden.
-
Dieser Prozess kann iterativ fortgesetzt werden, wobei das Wiederherstellen des letztgenannten kollidierenden Datenpakets wieder einen Pointer zu einem weiteren Zwillingspaket ergeben würde.
-
Somit ergibt sich ein Kaskadeneffekt, so dass eine Vielzahl von Paketen wiederhergestellt werden kann. Das CRDSA-Verfahren ist beispielhaft in 2 dargestellt und ist ferner beschrieben in E. Casini, R. De Gaudenzi, O. Del Rio, „Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”, IEEE Transactions an Wireless Communications, April 2007.
-
Es sind Verbesserungen an diesem Verfahren vorgenommen worden (z. B. G. Liva, „A Slotted ALOHA Scheme Based an Bipartite Graph Optimization”, ITG SCC 2010, Siegen (Germany);
EP 2 187 692 A1 ), bei denen die Anzahl der übertragenen Kopien oder das Kodierschema modifiziert wird, wobei jedoch keine dieser Verbesserungen optimal ist. Tatsächlich sind sie suboptimal, und zwar aus dem folgenden Grund. Bei einem Mehr-Kanal-Zugriff, bei dem sämtliche User (Benutzer) gleichzeitig und mit gleicher Frequenz eine Übertragung zu einem gemeinsamen Empfänger durchführen, besteht die optimale Strategie darin, eine sukzessive Entfernung von Interferenzen (T. M. Cover and J. A. Thomas; „Elements of Information Theory”, John Wiley Eds, Sept. 2006) durchzuführen. Dann ist es möglich, jeden User mit einer bestimmten Rate, R
ij, zu dekodieren, wobei R
ij < C
ij ist. Die Kanalkapazität für den i-ten User an dem j-ten Zeitschlitz ist durch die spezifische Dekodierfolge gegeben. Somit ermöglicht jeder Zeitschlitz das Dekodieren eines bestimmten Users mit einer bestimmten Rate, jedoch ermöglicht die Verwendung von HARQ type II, wie später gezeigt wird, das Dekodieren des i-ten Users mit der Rate
wobei C
ij die Rate ist, die für den i-ten User an dem j-ten Zeitschlitz realisiert werden kann. Falls der i-te User keine Übertragung in dem j-ten Zeitschlitz durchführt, beträgt die Kapazität C
ij lediglich 0. Der Hauptunterschied, der zwischen diesem Schema und E. Casini, R. De Gaudenzi, O. Del Rio, „Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”, IEEE Transactions an Wireless Communications, April 2007; und G. Liva, „A Slotted ALOHA Scheme Based an Bipartite Graph Optimization”, ITG SCC 2010, Siegen (Germany), ersichtlich ist, besteht darin, dass in den genannten Veröffentlichungen jeder Zeitschlitz die gleiche Information führt und dass Signale aus verschiedenen Zeitschlitzen nicht miteinander kombiniert werden; dies jedoch ist generell suboptimal, da eine bessere Leistung erzielt werden kann, indem verschiedene Teile eines Mother-Codewords übertragen werden. Das Fehlen der Kombinationsfähigkeit kann bei Kanälen, die einem Fading unterliegen, recht nachteilig sein, da eine zeitliche Veränderung im Übertragungskanal nicht genutzt wird. Zudem werden die Übertragungen mehrerer Kopien nicht dazu genutzt, die Datenrate zu erhöhen, was andernfalls durch das Kombinieren möglich wäre. Schließlich wird bei den Techniken oft angenommen, dass mindestens eine Kopie jedes Users (möglicherweise nach sukzessiver Interferenz-Entfernung) mit vernachlässigbarer Interferenz dekodiert werden kann, jedoch ist dies generell gesehen möglicherweise nicht der Fall. Folglich wären, falls zwei User ihre Kopien gleichzeitig übertragen, die genannten Verfahren nicht in der Lage, sie zu dekodieren, da jede Kopie aufgrund der Übertragungen des anderen Users beschädigt würde.
-
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass diese relativ anfällig gegenüber Fading Effekten und zeitvarianten Kanalkonditionen und/oder Interferenzen sind. Auch tragen mehrere Kopien eines Datenpakets dieselbe Information und somit selbst in dem Fall, wenn eine größere Anzahl an Retransmissions übertragen wird, die Datenrate nachwievor eingeschränkt durch die Rate, die durch eine einzelne Replica (Kopie) ermöglicht wird. Bei einem Fading auf dem Übertragungskanal führt dies zu einer signifikanten Reduktion der Übertragungsrate.
-
US 2006/0171418 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Datenpaketen über einen Übertragungskanal, der von mehreren Benutzern verwendet wird unter Verwendung des Slotted-Aloha-Verfahrens. Hierbei werden wenigstens zwei Repliken eines jeden Pakets über den Übertragungskanal gesendet. Jede Replika beinhaltet Informationen, die es ermöglichen, die weiteren Repliken desselben Datenpakets zu lokalisieren. In der genannten Druckschrift ist ferner ein Verfahren zum Wiederherstellen von Datenpaketen auf der Receiverseite beschrieben, wobei die genannte Information zum Auffinden der anderen Repliken eines Datenpakets für einen Interference-Cancellation-Algorithmus verwendet wird, so dass beschädigte oder verlorengegangene Pakete wiederhergestellt werden können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Benutzern zu einem gemeinsamen Empfänger bereitzustellen, wobei von diesen Benutzern ein gemeinsamer Übertragungskanal verwendet wird.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Übertragen von Daten wird ein Übertragungskanal zu einem gemeinsamen Empfänger, beispielsweise einem Satelliten, von mehreren Benutzern zum Senden von Daten zu diesem Empfänger verwendet. Die Zeitachse ist aufgeteilt in Frames der Länge Tf und jeder Frame ist aufgeteilt in Ns-Zeitschlitze der Länge Ts = Tf:Ns.
-
Insofern geht das erfindungsgemäße Verfahren von einem Szenario aus, das in ähnlicher Form aus dem Slotted-ALOHA-Verfahren bekannt ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- (a) Codieren der Daten durch ein Channel Coding Verfahren
- (b) Teilen des entstandenen Codeworts in eine Anzahl Li einzelner Abschnitte
- (c) Übermitteln der Li einzelnen Abschnitte an den Empfänger in Li der Ns-Zeitschlitze
- (d) wobei die folgenden Verfahrensschritte durch den Empfänger wiederholt werden, solange nicht die Daten sämtlicher Benutzer dekodiert wurden:
(d1) Identifizieren der Benutzer für jeden Zeitschlitz, die Daten in diesem Zeitschlitz übermittelt haben
(d2) Auswählen eines Benutzers i*
(d3) Rekonstruieren des analogen Signals des Benutzers i* in allen Zeitschlitzen Si×y, in denen dieser Benutzer i* Daten übermittelt hat und Entfernen dieses Signalanteils von den empfangenen Signalen in jedem Zeitschlitz
(d4) Entfernen des erkannten übermittelten Datenpakets des Benutzers i*
(d5) Wiederholen des Verfahrens ab Schritt (d1), wenn die Daten weiterer Benutzer dekodiert werden müssen und das Dekodieren der Daten des Benutzers i* erfolgreich war.
-
Der Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass Informationen aus verschiedenen Zeitschlitzen verwendet werden, um den Dekodierungsprozess zu verbessern.
-
Insofern kann eine geringere Anfälligkeit gegenüber Fading, Interferenzen und Veränderungen in der Qualität des Übertragungskanals über die Zeit erreicht werden. Ferner kann die Transmissionsrate gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert werden, da nunmehr die Datenrate nicht mehr auf diejenige Rate einer einzigen Kopie eines Datenpakets beschränkt ist.
-
Die Auswahl des Benutzers i* gemäß Verfahrensschritt (d2) erfolgt bevorzugt durch die folgenden Schritte: Berechnen des SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) für jeden Benutzer in jedem Zeitschlitz. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine monoton steigende Funktion. In Abhängigkeit von dem verwendeten Channel Code wird die Kapazität Ci für jeden Benutzer in jedem Zeitschlitz berechnet. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine monoton steigende Funktion. Anschließend wird die verbleibende Verbindungsbandbreite nach Ci – Ri für jeden Benutzer berechnet, wobei Ri die Transmissionsrate des verwendeten Channel Code ist. Das Auswählen des Benutzers i* gemäß Schritt d2 erfolgt dann dahingehend, dass der Benutzer mit der höchsten verbleibenden Verbindungsbandbreite ausgewählt wird.
-
Es ist bevorzugt, dass das entstandene Codewort gemäß Verfahrensschritt (b) in einer Anzahl Li einzelner Abschnitte mit gleicher Länge aufgeteilt wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl Li der einzelnen Abschnitte eine Zufallsvariable ≠ 0, die aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung gewonnen wird. Hierbei kann es sich um eine Pseudo-Zufallsverteilung handeln, die insbesondere dem Empfänger bekannt ist.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass gemäß Verfahrensschritt (c) die Li einzelnen Abschnitte in Li zufällig ausgewählte Zeitschlitze aus den Ns-Zeitschlitzen an den Empfänger übermittelt werden, wobei die ausgewählten Zeitschlitze insbesondere dem Empfänger bekannt sind.
-
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Empfänger eine Matrix U × Ns {SINRij} erstellt, wobei SINRij die SINR für Benutzer i im Zeitschlitz j ist.
-
Die Obergrenze der Kapazität C
i, die gemäß Verfahrensschritt (d3) für jeden Benutzer und jeden Zeitschlitz berechnet wird, ist in Abhängigkeit des verwendeten Channel Code:
-
Abhängig vom verwendeten Channel Code wird die Kapazität Ci mehr oder weniger an die genannte Obergrenze heranreichen.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 das Slotted ALOHA-Verfahren, das aus dem Stand der Technik bekannt ist,
-
2 das CRDSA-Verfahren, das aus dem Stand der Technik bekannt ist,
-
3 die Erfolgswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Anzahl der Benutzer in einem AWGN-Kanal,
-
4 die Erfolgswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Anzahl der Benutzer in einem Rayleigh Fading Szenario mit einer Übertragung von zwei Datenpaketen pro Benutzer und Frame,
-
5 die Erfolgswahrscheinlichkeit als eine Funktion der Anzahl der Benutzer in einem Rayleigh Fading Szenario mit einer Übertragung von vier Datenpaketen pro Benutzer und Frame,
-
6 eine Darstellung der Spektraleffizienz pro User und pro Frame und
-
7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Die 1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
-
3 vergleicht das erfindungsgemäße Verfahren mit der Performance einer optimierten Verteilung in einem AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise), gemäß G. Liva, „A Slotted ALOHA Scheme Based an Bipartite Graph Optimization”, ITG SCC 2010, Siegen (Germany) und
EP 2 187 692 A1 . Jeder Frame wurde in 200 Zeitschlitze unterteilt.
-
Weiterhin liegt eine SNR von 5 dB per Zeitschlitz und eine Transmissionsrate von 0,98·log2 (1 + SNR) ≈ 2 bit/s/Hz vor.
-
Mit einer ansteigenden Anzahl von Benutzern weist die aus dem Stand der Technik bekannte Methode eine nachlassenden Performance auf, während die Anzahl der Benutzer sich der Frame Länge nähert, da es dann immer schwieriger wird, einen Zeitschlitz zu finden, in dem sich kein anderer Benutzer befindet. Im Gegensatz hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren weit weniger empfindlich gegenüber der Auslastung und kann somit bei einem annähernd „gesättigten” System ohne größere Probleme verwendet werden.
-
In sämtlichen Figuren ist das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren mit CRDSA bezeichnet, während das erfindungsgemäße Verfahren mit HARQ bezeichnet wird.
-
In 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Verfahren bekannt aus E. Casini, R. De Gaudenzi, O. Del Rio, „Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”; IEEE Transactions an Wireless Communications, April 2007 unter Rayleigh Fading Konditionen verglichen. Es wird angenommen, dass jeder Zeitschlitz und jeder Benutzer einem unabhängigen Fading unterliegen. Um die Variabilität des Kanals zu kompensieren, muss die Übertragungsrate wesentlich eingeschränkt werden (rate backoff). Die Rate wurde derart gewählt, dass ein Ausfall von 5% auftritt, wenn ein Paket ohne Interferenzen und unter einem Rayleigh Fading mit einer durchschnittlichen SNR von 5 dB empfangen wird. Die genannten Parameter führen zu einer Transmissionsrate oder Übertragungsrate von 0,22 bit/s/Hz. Wie bereits in der Einleitung dargestellt, werden die übertragenen Pakete jedes Benutzers unabhängig voneinander codiert und können somit eine zeitliche Veränderung (time diversity), sofern eine solche vorhanden ist, nicht nutzen.
-
Im Gegensatz hierzu können solche zeitlichen Veränderungen in der Qualität des Übertragungskanals genutzt werden, so dass eine größere Unempfindlichkeit gegenüber diesen zeitlichen Veränderungen erreicht werden kann. Die Performance des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit nahezu unabhängig von der Kanallast.
-
Der gleiche Effekt ist aus 5 ersichtlich, wobei hier anstelle einer Übertragung von zwei Datenpaketen pro Benutzer und Frame, wie in 4, vier solcher Datenpakete pro Benutzer und Frame übertragen werden. Diese Veränderung ermöglicht eine größere Unempfindlichkeit gegenüber zeitlichen Veränderungen bei einer niedrigen Auslastung (hier bis zu einer Anzahl von 120 Benutzern), wobei hier Interferenzen kein wesentliches Problem darstellen. Auch in 5 leidet das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren bei einer Erhöhung der Last an seiner Anfälligkeit gegenüber zeitlichen Veränderungen der Übertragungsqualität des Kanals.
-
Es wurde bereits dargestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren höhere Raten unterstützt als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Dieser Sachverhalt ist in 6 dargestellt:
Für eine gegebene Frame-Länge (200 Zeitschlitze) und einer gegebenen Anzahl von Benutzern (140, 160 und 180 Benutzer) wurde die Transmissionsrate Ri = R bit/s/Hz/Benutzer für alle i in einem AWGN-Kanal geändert und die Spektraleffizienz des Systems (definiert als die maximale Anzahl von bits/Frame/Hz, die unterstützt werden kann) ermittelt. Der Zugewinn an Spektraleffizienz kann hierbei zwischen 50% (140 Benutzer) bis zu 700% (180 Benutzer) liegen. Es ist ferner zu beachten, dass sich mit dem Ansteigen der Anzahl der Benutzer das Optimum der Spektraleffizienz pro Benutzer reduziert, aber ferner die gesamte Systemspektraleffizienz ansteigt. Dies legt eine Methode nahe, bei der die Spektraleffizienz pro Benutzer dadurch angepasst wird, dass sie entsprechend dem Anstieg der Anzahl der Benutzer in dem System reduziert wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass je mehr Benutzer sich in einem System befinden, desto höher fällt der gesamte Through-Put, d. h. die Summe der Datenraten über alle Benutzer aus. Die Datenrate pro Nutzer sinkt, jedoch steigt die Datenrate des Gesamtsystems an.
-
Ein Beispiel, wie das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert, ist in 7 dargestellt. In jeder Box sind die SNR und SINR (linear scale) für den jeweiligen Zeitschlitz und Benutzer dargestellt. Die erste Zahl ist die SNR (keine Interferenz vorhanden) und die zweite die SINR (unter Berücksichtigung der Interferenz durch andere Benutzer in dem gleichen Zeitschlitz). Beispielsweise unterliegen Benutzer 3 in Zeitschlitz 2 und Benutzer 2 in Zeitschlitz 5 keiner Interferenz, so dass die SINR und SNR gleich sind. Die Transmissionsrate Ri wird als 2,5 bit/s/Hz/Benutzer angenommen.
-
Der Algorithmus weist die folgenden Schritte auf:
Die Kapazität wird für jeden Benutzer in bit/s/Hz für jeden Zeitschlitz berechnet. Die ergibt die folgende Tabelle:
| | Zeitschlitz 1 | Zeitschlitz 2 | Zeitschlitz 3 | Zeitschlitz 4 | Zeitschlitz 5 |
| Benutzer 1 | 1 | // | // | 2 | // |
| Benutzer 2 | 0,586 | // | // | // | 2 |
| Benutzer 3 | // | 1,585 | // | 0,586 | // |
-
Die Benutzer 1, 2 und 3 können Übertragungsraten von jeweils 3, 2,856 bzw. 2,17 bit/s/Hz unterstützen. Der Benutzer 1 ist der Benutzer mit der höchsten verbleibenden Verbindungsbandbreite (nämlich 3 – 2,5 = 0,5/bit/s/Hz) und seine Daten werden dekodiert, rekonstruiert und von dem empfangenen Signal subtrahiert.
-
Im nächsten Schritt wird die SINR-Tabelle durch Entfernen des Interferenz des Benutzers 1 aktualisiert:
| | Zeitschlitz 1 | Zeitschlitz 2 | Zeitschlitz 3 | Zeitschlitz 4 | Zeitschlitz 5 |
| Benutzer 2 | 1,585 | // | // | // | 2 |
| Benutzer 3 | // | 1,585 | // | 1,585 | // |
-
Benutzer 2 und 3 können Datenraten bis zu 3,585 bzw. 3,17 bit/s/Hz unterstützen. Benutzer 2 wird zuerst dekodiert. Anschließend wird Benutzer 3 dekodiert.
-
Es ist zu beachten, dass die eingangs genannten Verfahren aus dem Stand der Technik nicht in der Lage wären, eine Dekodierung in dem beschriebenen System vorzunehmen, da sie in sauberen Zeitschlitzen operieren müssen, das heißt in solchen Zeitschlitzen, in denen genau ein Benutzer seine Daten sendet. Dies ist nur der Fall für Benutzer 3 in Zeitschlitz 2 und für Benutzer 2 in Zeitschlitz 5. Jedoch können hier Raten von lediglich von 1,585 bzw. 2,5 bit/s/Hz unterstützt werden. Daher würde jeder von ihnen nicht dekodierbar sein, wobei die geforderte Übertragungsrate von 2,5 bit/s/Hz/Benutzer zu hoch ist. Erfindungsgemäß kann durch das sogenannte joint coding über eine Vielzahl von Zeitschlitzen (HARQ II) der Dekodierungsprozess durchgeführt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allen Arten von kommerziellen Wireless-Systemen verwendet werden. Das Verfahren ist insbesondere interessant für interaktive Satellitendienste wie beispielsweise DVB-RCS. Es kann ebenfalls angewendet werden in allen Applikationen, in denen ein zentraler Empfänger ungleichmäßig auftretende Daten („bursty information”) von mehreren Benutzern empfangen muss, wie beispielsweise WLAN oder RFID.
