DE102010031411A1

DE102010031411A1 - Konzept zur Kombination codierter Datenpakete

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Publication number: DE102010031411A1
Application number: DE102010031411A
Authority: DE
Inventors: Gerd Kilian; Andreas Tasch; Josef Bernhard; Wolfgang Koch; Patrick Nickel; Wolfgang Gerstacker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-16
Also published as: EP2924907B1; ES2774350T3; PL2594028T3; EP2924907A1; BR112013000981B1; ES2575856T3; EP2594028A2; ZA201301112B; DK2594028T3; EP2594028B1; BR112013000981A2; WO2012007565A3; US20130128876A1; WO2012007565A2; US9184832B2; PL2924907T3; DK2924907T3; CN103109483B; EP3624374B1; CN103109483A

Abstract

Konzept zum Übertragen von Nutzdaten (112-m) innerhalb eines Zeitintervalls (T) von einem Sender (110-m) über einen Kommunikationskanal zu einem Empfänger (120), wobei innerhalb des Zeitintervalls (T) eine Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) aus den Nutzdaten (112-m) erzeugt werden, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets aufweist, und wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten (112-m). Die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) wird in dem Zeitintervall (T) ohne Rückkanal zu dem Empfänger (120) gesendet, der einen Decoder (DEC) aufweist, der angepasst ist, um Paketkerndaten (212-1) eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-1) des Zeitintervalls (T) zu decodieren und, falls ein fehlerfreies Decodieren des ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1), um die Nutzdaten (112-m) zu erhalten, scheitert, Paketkerndaten (212-2) wenigstens eines zweiten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-2) des Zeitintervalls (T) zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der zu Nutzdaten zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konzept zum Übertragen von Nutzdaten in Form einer Mehrzahl codierter Datenpakete, die empfangsseitig, angepasst an eine Übertragungsqualität, kombiniert werden können, um einen Codiergewinn an die Übertragungsqualität bzw. eine Übertragungssituation anzupassen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können insbesondere bei unidirektionalen Mehrpunkt-zu-Punkt-Übertragungssystemen (Multipoint-to-Point) eingesetzt werden.
Für eine Übertragung von kleinen Nutzdatenmengen, wie sie z. B. bei Messgeräten, wie beispielsweise Heizungs-, Strom- oder Wasserzählern, anfallen, können prinzipiell zwei unterschiedliche Übertragungsverfahren eingesetzt werden. Zum einen können Sensor- bzw. Nutzdaten mittels einer unidirektionalen Übertragung jeweils von einem dem betreffenden Messgerät zugeordneten Sender zu einem zentralen Empfänger übertragen werden (Mehrpunkt-zu-Punkt-Übertragung). Bei einer derartigen unidirektionalen Übertragung sendet der Sender zyklisch zu bestimmten, meist zufällig gewählten Sendezeitpunkten seine Senderkennung und einen aktuellen Sensorwert aus. Zeitabstände zwischen den Sendezeitpunkten sind meist auf eine Batterie-Charakteristik angepasst und derart gewählt, dass eine Batterie-Lebensdauer maximal wird. Der Sender erhält dabei vom zentralen Empfänger keinerlei Quittierung über den Empfang des Sensorwerts, hat also keine Kenntnis darüber, ob ein den Sensorwert enthaltendes Sendepaket am Empfänger angekommen ist und/oder decodiert werden konnte. Ist jedoch eine derartige Empfangsbestätigung (ACK/NAK) erwünscht, kann man auf eine bidirektionale Übertragung zurückgreifen.
Bei der bidirektionalen Übertragung wird sensorseitig ein Sendeempfänger (Transceiver) vorgesehen. Der Sendeempfänger sendet seine Sensordaten bzw. Datenpakete nur dann aus, wenn er von einem entferntseitigen Erfassungsgerät (zentraler Empfänger) dazu aufgefordert wird. Dazu muss der sensorseitige Sendeempfänger ständig einen Funkkanal abhören, um herauszufinden, ob eine Sendeanforderung für ihn vorliegt.
Immer häufiger kommen für Sensor- bzw. Nutzdatenübertragung auch sogenannte (drahtlose) Sensornetzwerke zum Einsatz, bei denen Informationen über einzelne Teilnehmer oder Knoten des Netzwerks weitervermittelt werden, bis sie letztlich am gewünschten Informationsempfänger ankommen. So können bei entsprechend vorhandenen Sensorknoten Daten über eine große Distanz geleitet werden.
Zur Sensor- bzw. Nutzdatenübertragung werden bei den oben angesprochenen Systemansätzen meist einfache, kostengünstige Telemetrietransceiver mit Amplituden-(ASK) oder Frequenzmodulation (FSK) verwendet. Der Empfang ist dabei oft nicht kohärent und in den meisten Fällen wird keine Kanalcodierung verwendet.
Dagegen werden heute bei komplexeren digitalen drahtlosen Kommunikationssystemen Übertragungsverfahren eingesetzt, die Informationen bzw. Nutzdaten auf unterschiedliche, zeitlich und/oder räumlich versetzt ausgesendete Datenpakete verteilt mit unterschiedlichen Redundanzinformationen, d. h. unterschiedlich kanalcodiert, übertragen. Die codierten Datenpakete können bei guter Signalqualität, d. h. hohem Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio), einzeln empfangen und decodiert werden. Sinkt das SNR am Empfänger, kann durch Kombination zweier oder mehrerer empfangener Datenpakete ein Codegewinn bzw. Codierungsgewinn realisiert werden. Der Codegewinn beschreibt in der Codierungstheorie eine Differenz einer benötigten Bitenergie im Verhältnis zu einer spektralen Rauschleistungsdichte zwischen einer uncodierten und codierten Nachricht um eine gleiche Bitfehlerrate zu erreichen. Die uncodierte Nachricht stellt die Referenz dar, mit der die mittels Kanalcodierung codierte Nachricht verglichen wird. Derartige Übertragungsverfahren, die auch als Code-Combining-(Code-Kombination) und/oder als inkrementelle-Redundanz-(incremental Redundancy) Übertragungsverfahren bezeichnet werden, werden im Stand der Technik häufig bei sogenannten paketorientierten automatischen Wiederholungsanfrage-(ARQ = Automatic Repeat Request) Protokollen angewendet. Kommt es dabei empfangsseitig zu einem Fehler bei der Decodierung eines Datenpakets, wird über einen Rückkanal beim Sender ein weiteres redundanzbehaftetes, d. h. codiertes, Datenpaket angefordert.
ARQ-Protokolle werden bei Kommunikationsnetzen eingesetzt, um eine zuverlässige Datenübertragung durch Sendewiederholungen zu gewährleisten. Durch eine Möglichkeit der Fehlererkennung kann ein Empfänger aufgetretene Übertragungsfehler in Datenpaketen feststellen. Über den Rückkanal kann dieser dem Sender des Datenpakets das Resultat der Fehlererkennung mitteilen. Gewöhnlicherweise geschieht dies durch Übertragung sogenannter ACK/NAK Signale (Acknowledgement bzw. Negative Acknowledgement, d. h. korrekter Empfang bestätigt bzw. Wiederholungsanfrage). Gegebenenfalls wird eine gestörte Nachricht solange erneut übertragen, bis sie den Empfänger ohne Fehler erreicht hat.
Sogenannte hybride ARQ-Protokolle (HARQ) stellen eine erweiterte Variante des ARQ-Protokolls dar, wobei ARQ-Mechanismen, wie z. B. Prüfsummenbildung, Blockbestätigung und/oder Blockwiederholung mit einer fehlerkorrigierenden Codierung kombiniert werden. Dabei können Nutzdaten mit einem fehlerkorrigierenden Blockcode oder einem fehlerkorrigierenden Faltungscode kanalcodiert werden. D. h., im Gegensatz zu ARQ-Verfahren, bei denen neben den Nutzdaten in einem Datenpaket lediglich fehlererkennende Redundanzinformationen (z. B. CRC) übertragen werden, werden bei HARQ-Verfahren zusätzlich auch noch gemäß Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren (FEC = Forward Error Correction) fehlerkorrigierende Redundanzinformationen in dem Datenpaket übertragen. Dabei lassen sich grundsätzlich drei verschiedene HARQ-Verfahrenstypen unterscheiden:
Die einfachste Version, Typ-I HARQ, fügt vor jeder Übertragung den Nutzdaten sowohl fehlererkennende als auch fehlerkorrigierende Redundanzinformationen hinzu, um ein codiertes Datenpaket zu erhalten. Wenn das codierte Datenpaket empfangen wird, decodiert der Empfänger zuerst den fehlerkorrigierenden Kanalcode. Bei hinreichend guter Übertragungsqualität sollten sämtliche Übertragungsfehler korrigierbar und der Empfänger somit in der Lage sein, die korrekten Nutzdaten zu erhalten. Falls die Übertragungsqualität schlecht ist, und deshalb nicht sämtliche Übertragungsfehler korrigiert werden können, kann dies der Empfänger mittels des fehlererkennenden Codes feststellen. In diesem Fall wird das empfangene codierte Datenpaket verworfen und per Rückkanal eine Sendewiederholung angefragt. Typ-I HARQ bezeichnet also die Übertragung mit exakt gleicher Wiederholung der in der Erstübertragung gesendeten Daten. Bei erneutem Empfang der Daten können Informationen, die bei dem vorhergehenden Empfang dieser Daten generiert worden sind, wieder verwendet werden. Ein mögliches Prinzip dafür ist bekannt aus IEEE Transactions an Communications, Bd. COM-33, Nr. 5, Mai 1985, D. Chase, „Code Combining – A Maximum-Likelihood Decoding Approach for Combining an Arbitrary Number of Noisy Packeis". Dabei werden Nutzdaten in Datenpaketen übertragen, die mit einem Code mit relativ hoher Coderate R codiert sind und die wiederholt werden, um eine zuverlässige Kommunikation zu erreichen, wenn die Redundanz des Codes nicht ausreicht, um z. B. Kanalinterferenzprobleme zu überwinden. Der Empfänger kombiniert empfangene, verrauschte Datenpakete, um ein kombiniertes Datenpaket mit einer Coderate R' < R zu erhalten, die gering genug ist, um eine zuverlässige Kombination selbst bei Übertragungskanälen zu gewährleisten, die extrem hohe Fehlerraten verursachen. Dabei wird versucht, durch eine Kombination einer minimalen Anzahl von Datenpaketen die Verzögerung (durch Paketwiederholungen) auf ein Minimum herabzusetzen, aber gleichzeitig eine ausreichend gute und hohe Coderate zu realisieren, um die übertragenen Nutzdaten zuverlässig zu decodieren.
Gemäß einem weiteren herkömmlichen Verfahren werden während eines Decodierungsversuchs eines früher übertragenen Datenpakets logarithmische Wahrscheinlichkeitsverhältnisse (LLR – Log-Likelihood Ratio) für zu decodierende Nutzdaten des früher übertragenen Datenpakets ermittelt. Schlägt ein Decodierungsversuch fehl, so erfolgt eine erneute Übertragung des entsprechenden Datenpakets. Bei der Decodierung der Nutzdaten des erneut gesendeten Datenpakets werden die während des früheren Decodierungsversuchs bestimmten LLR's in vorwärtsschreitender Verfahrensweise als a-prori-Informationen genutzt, ähnlich wie bei dem bekannten Turbo-Code Prinzip.
Bei Typ-II HARQ werden in einer Übertragungswiederholung nicht genau die Daten der Erstübertragung wiederholt, sondern es wird zusätzliche Redundanz übermittelt, die ohne die Daten der Erstübertragung allein nicht decodierbar wäre (non-self-decodable). Derartige Typ-II HARQ Verfahren werden typischerweise auch als inkrementelle Redundanz HARQ-Verfahren bezeichnet. Dabei werden senderseitig zunächst die Nutzdaten und fehlererkennende Bits (CRC) beispielsweise mittels eines systematischen „Mutter”-Codes codiert. Daraus resultiert ein Codewort aus systematischen Bits und sogenannten Paritätsbits. In einem ersten gesendeten Datenpaket wird der systematische Teil des Codeworts und eine bestimmte Anzahl, d. h. nicht alle, Paritätsbits, die zusammen ein Codewort eines Muttercodes bilden, gesendet. Dieses Codewort wird empfängerseitig decodiert. Falls dies nicht möglich ist und eine Sendewiederholung angefragt wird, sendet der Sender in einem darauf folgenden Datenpaket zusätzliche Paritätsbits mit evtl. unterschiedlicher Leistung und/oder bei veränderten Kanalbedingungen. Nach dem Empfang des darauf folgenden Datenpakets wird ein erneuter Decodierungsversuch unternommen, wobei die zusätzlichen Paritätsbits mit den vorher empfangenen kombiniert werden. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden, bis sämtliche Paritätsbits des Muttercodes übertragen wurden.
Wie eingangs bereits beschrieben wurde, gibt es einfache digitale drahtlose Kommunikationssysteme mit lediglich einer unidirektionalen Übertragung vom Sender zum Empfänger, d. h. ohne Rückkanal. Derartige unidirektionale Mehrpunkt-zu-Punkt-Kommunikationssysteme eignen sich besonders für eine kostengünstige Übertragung von kleinen Nutzdatenmengen, wie sie z. B. bei Messgeräten, wie beispielsweise Heizungs-, Strom- oder Wasserzählern, anfallen. Jedoch stellt sich bei solchen Kommunikationssystemen, bei denen eine Vielzahl von Sendern mit einem Empfänger kommuniziert (Mehrpunkt-zu-Punkt) das Problem, dass es, abhängig von der Anzahl von Sendern und deren zufälliger Sendezeitpunkte, zu erheblicher Interferenz am Empfänger kommen kann. Aufgrund zufälliger Sendezeitpunkte der Sender und derer oftmals auch nicht vorhersehbaren Anzahl, ist die Interferenz bzw. Empfangsqualität am Empfänger nicht vorhersehbar. Trotzdem soll sichergestellt werden, dass senderspezifische Nutzdaten am zentralen Empfänger auch unter verschiedensten Empfangsbedingungen schnell, effizient und sicher decodiert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Konzept bereitzustellen, mit dem Nutzdaten in einem unidirektionalen Mehrpunkt-zu-Punkt Kommunikationssystem bei unterschiedlichen Empfangsbedingungen möglichst schnell, effizient und sicher decodiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sender mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einem Empfänger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und durch Verfahren gemäß den Patentansprüchen 17 und 18.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen zudem auch Computerprogramme zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben gestellte Aufgabe durch einen Einsatz von Code-Combining bzw. Inkrementeller Redundanz in einem drahtlosen, unidirektionalen Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystem ohne Rückkanal von dem zentralen Empfänger zu den einzelnen Sender zu lösen. In einem erfindungsgemäßen Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystem senden eine Mehrzahl von Teilnehmern bzw. Sendern ihre jeweiligen Nutzdaten in Form von codierten Datenpakten jeweils zu einem zufälligen oder pseudo-zufälligen Sendezeitpunkt zu einem zentralen Empfänger. Die Übertragung des einem Nutzdatenpaket zugeordneten codierten Datenpakets nimmt dabei jeweils ein bestimmtes Sendezeitintervall T in Anspruch. Bei einer großen Anzahl von Sendern M treffen auf den zentralen Empfänger viele Datenpakete von unterschiedlichen Sendern teilweise auch gleichzeitig ein, was zu einer erhöhten Interferenz am Empfänger und damit erschwerten Empfangsbedingungen führt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung senden die Sender ihre jeweiligen Nutzdaten in ihrem Sendezeitintervall T mittels N codierter Datenpakete, die unterschiedliche Redundanzinformationen aufweisen können bzw. unterschiedlich codiert sind. Im Empfänger kann dann, je nach Übertragungsqualität, ein kanalcodiertes Datenpaket für sich dekodiert werden oder mehrere kanalcodierte Empfangspakete eines Teilnehmers kombiniert werden, um durch die Kombination insgesamt eine höhere Redundanz bzw. einen höheren Codegewinn zu erhalten. Dabei sind die Generatorpolynome für den Faltungsencoder und Punktierungsschemata zur unterschiedlichen Codierung der Nutzdaten in N codierte Datenpakete so gewählt, dass im Empfänger ein codiertes Datenpaket für sich, aber auch mehrere Datenpakete zusammen decodiert werden können.
Bei einem nichtsynchronen Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystem ohne Rückkanal muss der Empfänger unter Umständen eine hohe Anzahl von Empfangspaketen (M·N pro Sendezeitintervall T) sortieren, um die richtigen Datenpakete zu kombinieren. Da die Sendezeitpunkte der codierten Datenpakete zufällig bzw. pseudo-zufällig sind, kann der Empfänger nicht ohne weiteres erkennen, welche Empfangspakete zusammengehören. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Empfänger und/oder die Sender mobil sind. Alle möglichen Datenpaketkombinationen auszuprobieren würde zuviel Rechenzeit in Anspruch nehmen, und das System könnte nicht oder nur mit hohem Rechenaufwand in Echtzeit betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist auch vorteilhaft einsetzbar, um die effektive Reichweite des Übertragungssystems zu erhöhen. Ferner können beispielsweise der Empfänger und/oder zumindest einige (oder alle) der Sender des Übertragungssystems mobil sein und sich die Abstände zwischen Sender und Empfänger ändern, so dass aufgrund der unterschiedlichen Abstände unterschiedliche Empfangsschwellen SNR auftreten können. Erfindungsgemäß kann nun im Empfänger ein codiertes Datenpaket des Senders für sich allein dekodiert oder können auch mehrere Datenpakete des Senders zusammen decodiert werden. Bei einem geringen Abstand zwischen Sender und Empfänger ist beispielsweise ein codiertes Datenpaket für sich allein oder auch nur eine Kombination weniger Datenpakete ausreichend, um die ursprünglichen Nutzdaten decodieren zu können. Darüber hinaus können auch mehrere Datenpakete, die von einem Sender mit einem erhöhten Abstand zum Empfänger ausgesendet werden, kombiniert werden, um eine Reduktion der Empfangsschwelle SNR zu erreichen, so dass die effektive Reichweite, z. B. für Fixed-Empfang, durch eine empfängerseitige Kombination mehrerer Datenpakete des jeweiligen Senders realisiert werden kann. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei Übertragungen über große Distanzen schlechte Übertragungsbedingungen auftreten.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden bestimmte Informationen über ein gesendetes Datenpaket in einem besser geschützten Kernbereich des Datenpakets untergebracht. Dieser Kernbereich ist mit einem Code höherer Redundanz geschützt, der es ermöglicht, den Kernbereich auch bei einem geringen Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis oder Signal-/Störverhältnis noch fehlerfrei zu decodieren.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen einen Sender zum Übertragen von Nutzdaten innerhalb des Sendezeitintervalls T über einen Kommunikationskanal zu einem Empfänger. Der Sender weist eine Einrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete aus den Nutzdaten auf, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten mit einer für jedes Datenpaket unterschiedlichen Paketkennung aufweist, und wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten. Dabei bezieht sich die höhere Redundanz der codierten Paketkerndaten auf die jeweilige den Nutzdaten zugeordnete Redundanz eines Datenpakets. D. h., die Paketkerndatenredundanz pro codiertem Datenpaket ist größer als die Nutzdatenredundanz des codierten Datenpakets. Ferner weist der Sender eine Einrichtung zum Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete in dem Sendezeitintervall zu dem Empfänger auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Redundanz des Kanalcodes für die Paketkerndaten derart gewählt, dass eine Schwelle der Decodierbarkeit der Paketkerndaten mindestens so gut ist wie eine Schwelle, die bei einer Kombination aller möglichen N Datenpakete erreicht wird. In anderen Worten ausgedrückt ist ein Codegewinn des für die Paketkerndaten verwendeten Kanalcodes mindestens so hoch wie ein Codegewinn bzgl. der codierten Nutzdaten, der durch Kombination sämtlicher kanalcodierter Datenpakete des Sendezeitintervalls T erreicht wird. Beispielsweise ist also eine Coderate des für die Paketkerndaten verwendeten Kanalcodes gleich oder niedriger als eine Coderate der codierten Nutzdaten, die durch Kombination sämtlicher kanalcodierter Datenpakete des Sendezeitintervalls T erreicht wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem der Sender in einem Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystem eingesetzt wird, ist die Einrichtung zum Erzeugen der kanalcodierten Datenpakete ausgebildet, um jedes der kanalcodierten Datenpakete mit Paketkerndaten entsprechend der Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets und zumindest einem Teil einer Senderkennung des Senders zu versehen. D. h., im Paketkerndatenbereich kann eine Sender-ID oder eine Sender-Sub-ID und eine Nummer n (n = 1, 2, ..., N) des zugehörigen Datenpakets abgelegt sein, um empfängerseitig sicherzustellen, dass nur unterschiedliche Datenpakete eines Senders miteinander kombiniert werden.
Da ein erfindungsgemäßer Sender bevorzugt in einem kostengünstigen, unidirektionalen Übertragungssystem eingesetzt werden kann, ist gemäß Ausführungsbeispielen die Einrichtung zum Senden ausgebildet, um die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete im Hinblick auf Inhalt und Sendezeitpunkte unabhängig von einem Rückkanal von dem Empfänger zu dem Sender in dem Sendezeitintervall T zu senden. D. h., das Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete erfolgt unabhängig von einem Empfang der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete und/oder einem Erfolg oder Scheitern eines Decodierens der Nutzdaten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen ferner einen Empfänger zum Empfangen der Nutzdaten, die innerhalb eines Zeitintervalls T mittels einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete von einem erfindungsgemäßen Sender über einen Kommunikationskanal zu dem Empfänger übertragen werden. Jedes der kanalcodierten Datenpakete weist Paketkerndaten mit einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets auf, wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten. Der Empfänger weist eine Einrichtung zum Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete in dem Zeitintervall T auf, und einen Decoder, der angepasst ist, um Paketkerndaten eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets des Zeitintervalls zu decodieren, und, im Fall eines Scheiterns eines fehlerfreien Decodierens des ersten kanalcodierten Datenpakets, um Paketkerndaten wenigstens eines zweiten empfangenen kanalcodierten Datenpakets des Zeitintervalls T zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten zu erhalten.
Eine Kombination von empfangenen, kanalcodierten Datenpaketen findet also nur dann statt, wenn die Redundanzinformationen bzw. die fehlerkorrigierenden Redundanzinformationen, eines ersten empfangenen, kanalcodierten Datenpakets nicht bereits ausreichen, um die Nutzdaten fehlerfrei zu decodieren. Dies ist beispielsweise bei schlechten Empfangsbedingungen (z. B. niedriges SNR) der Fall. Dazu ist der Empfänger gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ausgebildet, das kanalcodierte erste Datenpaket mit einem weiteren zweiten Datenpaket zu einem neuen (längeren) Datenpaket zu kombinieren, also die Punktierung nach dem Schema im Sender rückgängig zu machen und dieses kombinierte längere Datenpaket zu decodieren um den erhöhten Codegewinn zu erhalten.
Da es sich gemäß Ausführungsbeispielen um einen zentralen Empfänger in einem unidirektionalen Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystem handelt, weist der Empfänger gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel keinen Rückkanal zu irgendeinem Sender auf, so dass der Sender nicht zu einem erneuten Senden eines kanalcodierten Datenpakets im Fall einer fehlgeschlagenen Decodierung der Nutzdaten veranlasst werden kann.
Zumindest ein Sender und ein Empfänger gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können zu einem System zum Übertragen von Nutzdaten innerhalb eines Zeitintervalls von dem zumindest einen Sender zu dem Empfänger kombiniert werden. Das System weist dann eine Einrichtung zum Erzeugen einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete aus den Nutzdaten auf, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets aufweist, und wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten. Ferner ist ein Sender zum Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete in dem Zeitintervall vorgesehen. Das System umfasst auch einen Empfänger zum Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete in dem Zeitintervall. Dieser Empfänger ist mit einem Decoder gekoppelt, der angepasst ist, um Paketkerndaten eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets des Zeitintervalls zu decodieren und, im Fall eines Scheiterns eines fehlerfreien Decodieren des ersten kanalcodierten Datenpakets, um Paketkerndaten wenigstens eines zweiten empfangenen kanalcodierten Datenpakets des Zeitintervalls zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten codierten Datenpaket zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten zu erhalten.
Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine effektive Nutzung von inkrementeller Redundanz bzw. Code-Combining auch bei unidirektionalen Übertragungsverfahren ohne Rückkanal, insbesondere bei Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystemen, bei denen viele Teilnehmer Daten an eine zentrale Empfangsstelle senden. Gegenüber dem Stand der Technik kann dadurch eine höhere Übertragungsreichweite durch Verringerung eines notwendigen Signal-Rauschabstands am Empfänger erreicht werden. Alternativ kann auch bei gleicher Übertragungsreichweite die benötigte Sendeleistung verringert werden. Des Weiteren ergibt sich eine höhere Übertragungssicherheit auch bei zeitvarianten Übertragungskanälen, wie sie beispielsweise durch mobile Sender und/oder Empfänger entstehen. D. h., die vorliegende Erfindung ermöglicht inkrementelle Redundanz bzw. Code-Combining am Empfänger ohne dafür einen Rückkanal vom Empfänger zu einem Sender zu verwenden.
Bevorzugte Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Senders/Empfängers sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Mehrpunkt-zu-Punkt Kommunikationssystems mit einer Mehrzahl von Sendern und einem zentralen Empfänger gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Erzeugung einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete aus einem Nutzdatenpaket gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a–b schematische Darstellungen von einer Mehrzahl erzeugter codierter Datenpakete in einem Zeitintervall, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer unidirektionalen Übertragung von inkrementeller Redundanz mittels einer Mehrzahl codierter Datenpakete gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 einen schematischen Aufbau eines Datenpakets gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung eines senderspezifischen Frequenzversatzes von einer nominellen Sendefrequenz.
1 zeigt schematisch ein Mehrteilnehmerkommunikationssystem 100, bei dem eine Mehrzahl von Sendern 110-m (m = 1, 2, ..., M) jeweils unidirektional ihre Nutzdaten 112-m an einen zentralen Empfänger 120 senden, d. h., es ist kein Rückkanal von Empfänger 120 zu einem der Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) vorhanden.
Jeder der Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) weist eine Einrichtung ENC zum Erzeugen einer Mehrzahl von kanalcodierten Datenpaketen aus den Nutzdaten 112-m (m = 1, 2, ..., M) auf Das kann derart interpretiert werden, dass den Nutzdaten 112-m (m = 1, 2, ..., M), die jeweils innerhalb eines Sendezeitintervalls gesendet werden sollen, die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete zugeordnet ist. Ferner weist jeder Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) eine Einrichtung TX zum Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete in dem Zeitintervall zu dem Empfänger 120 auf.
Einer der Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) bzw. die Einrichtung ENC zum Erzeugen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete soll nun anhand der 2–5 näher erläutert werden. Zur besseren Übersicht wird im Nachfolgenden der Teilnehmerindex m (m = 1, 2, ..., M) zumeist weggelassen.
2 veranschaulicht, dass die Einrichtung ENC ausgebildet ist, um aus den Nutzdaten 112 eine Mehrzahl von kanalcodierten Datenpaketen 210-n (n = 1, 2, ... N) zu bilden, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) entsprechend einer für jedes Datenpaket unterschiedlichen Paketkennung P-Id_n (n = 1, 2, ..., N) aufweist, und wobei die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten 112. Das bedeutet, dass pro Datenpaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) mehr Redundanzinformation bzgl. der Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ... N) übertragen wird als Redundanzinformation bzgl. der Nutzdaten. Die Nutzdaten 112 und/oder davon abgeleitete Redundanzinformation, wie z. B. fehlererkennende Redundanzinformation und/oder fehlerkorrigierende Redundanzinformation, werden in den Datenpaketen 210-n (n = 1, 2, ..., N) in entsprechenden Datenfeldern 214-n (n = 1, 2, ..., N) übertragen. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Nutzdaten 112 nicht aufgespalten übertragen. Vielmehr werden die gesamten Nutzdaten 112 entweder in jedem der kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ... N) unterschiedlich codiert übertragen, oder die Nutzdaten 112 werden lediglich in einem ersten 210-1 der Datenpakete codiert übertragen, woraufhin in den weiteren Datenpaketen 210-n (n = 2, 3, ... N) darauffolgend nur noch zusätzliche Redundanzinformationen übertragen werden.
Da im Allgemeinen die kanalcodierten Datenpakete 210-n die codierten Nutzdaten bzw. das codierte Nutzdatenwort zusammen mit den Redundanzinformationen aufweisen (Datenfelder 214-n), wird im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung das codierte Datenfeld 214-n häufig auch als „Nutzdaten mit Redundanz” dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass entsprechend den obigen Ausführungen zu 2 die Datenfelder 214-n, entweder die codierten Nutzdaten mit den von den zugehörigen Nutzdaten 112 abgeleiteten Redundanzinformationen oder auch nur von den zugehörigen Nutzdaten 112 abgeleitete Redundanzinformationen aufweisen können.
Die mit einem Nutzdatenpaket 112 assoziierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) werden von dem Sender 110 innerhalb eines Sendezeitintervalls T zu dem Empfänger 120 übertragen. Dabei ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Sender 110 bzw. die Einrichtung TX zum Senden ausgebildet, um ein erstes der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete 210-1 zu einem zufälligen Zeitpunkt t₁ und verbleibende Datenpakete 210-n (n = 2, 3, ..., N) der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete darauf folgend innerhalb des Sendezeitintervalls T zu senden. Das Zeitintervall T bildet also quasi einen Sendezeitrahmen für die einem Nutzdatenwort bzw. Paket 112 zugeordneten kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N). Obwohl innerhalb dieses Sendezeitrahmens T die einzelnen Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) zu zufälligen bzw. pseudo-zufälligen Sendezeitpunkten t_n (n = 1, 2, ..., N) gesendet werden können, sind gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel zeitliche Abstände Δt = (t_n+1 – t_n) von aufeinander folgenden Datenpaketen 210-n, 210-(n+1) (n = 1, 2, ..., N-1) determiniert bzw. vorbestimmt, ähnlich einem Zeitmultiplexverfahren (TDMA = Time Division Multiple Access). D. h., die Einrichtung TX zum Senden ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete 210-n in dem Zeitintervall T gemäß einem Zeitmultiplexverfahren zum Empfänger 120 zu senden.
Wie oben bereits ausgeführt wurde, beinhalten die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) eine für jedes Datenpaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) unterschiedliche Paketkennung bzw. Paketnummer P-Id_n (n = 1, 2, ..., N). In einem Mehrteilnehmersystem mit einer Mehrzahl von Sendern 110 ist es zwar nicht zwingend aber vorteilhaft, in dem Kerndatenbereich 212-n eines Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) zusätzlich zu P-Id_n (n = 1, 2, ..., N) zumindest einen Teil einer Senderkennung S-Id_m (m = 1, 2, ..., M) des jeweiligen Senders 110-m vorzusehen, um empfängerseitig das jeweilige Datenpaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) auch dem richtigen Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) zuordnen zu können. Dadurch wird es dem Empfänger 120 eines nicht-synchronen Mehrpunkt-zu-Punkt Übertragungssystems ohne Rückkanal möglich, die evtl. große Anzahl an Empfangspaketen (M·N pro Zeitintervall T) zu sortieren, und die richtigen Datenpakete miteinander zu kombinieren. Anstelle der Senderkennung könnte auch eine Zeitinformation vorgesehen sein, die den zeitlichen Abstand zum nächsten gesendeten Datenpaket angibt. Dadurch könnten ebenfalls zusammengehörende Pakete erkannt werden.
Der Empfänger 120 empfängt die senderspezifischen Nutzdaten 112-m (m = 1, 2, ..., M), die innerhalb des Zeitintervalls T mittels der Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete von einem der Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) über einen Kommunikationskanal zu dem Empfänger 120 übertragen werden. Jedes der kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) weist Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) mindestens entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) auf, wobei die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die senderspezifischen Nutzdaten 112-m (m = 1, 2, ..., M). Der Empfänger 120 weist eine Einrichtung RX zum Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) in dem Zeitintervall T auf, wie z. B. eine Antenne mit einem nachgeschalteten analogen Front-End und einer digitalen Empfängerstufe. Ferner weist der Empfänger 120 einen Decoder DEC auf, der angepasst ist, um Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets, z. B. 210-1, des Zeitintervalls T zu decodieren und, im Fall eines Scheiterns eines fehlerfreien Decodieren des ersten kanalcodierten Datenpakets 210-1 (um an die senderspezifischen Nutzdaten 112-m zu gelangen), um Paketkerndaten wenigstens eines weiteren empfangenen kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 2, 3, ..., N) des Zeitintervalls T zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls T für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket 210-1 zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der senderspezifischen Nutzdaten 112-m (m = 1, 2, ..., M) zu erhalten.
Der Empfänger 120 weist dabei keinen Rückkanal zu irgendeinem der Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) auf, um diesen zu einem erneuten Senden eines kanalcodierten Datenpakets im Fall einer fehlgeschlagenen Decodierung der Nutzdaten 112 zu veranlassen.
Der Decoder DEC ist gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet, um durch die Decodierung des ersten kanalcodierten Datenpakets 210-1 gewonnene Informationen über Redundanz und/oder Nutzdaten als Redundanzinformationen zur Decodierung des wenigstens zweiten kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 2, 3, ..., N) zu verwenden, um den erhöhten Codegewinn zu erhalten.
Da zumindest der Sendezeitpunkt t₁ des ersten Datenpakets 210-1 für jeden Sender 110-m pseudo-zufällig ist, erkennt der Empfänger 120 zunächst nicht ohne Weiteres, welche Empfangspakete zusammengehören. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Empfänger 120 und/oder die Sender 110-m mobil sind. Sämtliche möglichen Kombinationsversuche von Datenpaketen auszuprobieren, würde in dem Empfänger 120 zuviel Rechenzeit bzw. Hardware-Ressourcen in Anspruch nehmen, und das Übertragungssystem 100 könnte nicht oder nur mit hohem Rechenaufwand in Echtzeit betrieben werden. Aus diesem Grund werden bestimmte Informationen (Paketkerndaten) über das Sendepaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) in dem besser geschützten Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) des Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) untergebracht. Bei diesen Informationen handelt es sich zumindest um die Paketkennung P-Id_n (n = 1, 2, ..., N) und vorteilhafterweise zusätzlich auch um die Senderkennung S-Id_m (m = 1, 2, ..., M) bzw. einer davon abgeleiteten Information des jeweiligen Senders. Der Kernbereich bzw. die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) sind jeweils mit einem Code höherer Redundanz geschützt das Datenfeld 214-n (n = 1, 2, ..., N). Dadurch ist es möglich, die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) auch noch bei einem geringen Signal-/Rausch- oder Signal/Störverhältnis am Empfänger 120 zu decodieren und somit an die Paketkennung P-Id_n (n = 1, 2, ..., N) und, falls vorhanden, auch an die Senderkennung S-Id_m (m = 1, 2, ..., M) zu gelangen. Die Schwelle der Decodierbarkeit der Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) ist dabei mindestens so gut wie die Schwelle, die bei einer Kombination aller möglichen N Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) des Sendezeitrahmens T erreicht wird. Anders gewendet entspricht der dem Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) zugeordnete Codegewinn mindestens dem Codegewinn, der sich aus der Kombination aller N Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) bzw. deren codierter Nutzdatenfelder 214-n (n = 1, 2, ..., N) ergibt.
Wie es eingangs bereits beschrieben wurde, gibt es prinzipiell verschiedene Möglichkeiten, um die empfangenen, kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N), bzw. einen Teil davon, miteinander zu kombinieren, um durch die Kombination einen höheren Codegewinn zu erhalten.
3a zeigt einen Senderahmen 300 eines Senders 110. Innerhalb des Sendezeitintervalls T werden von dem Sender 110N kanalcodierte Datenpakete 210-n zu pseudo-zufälligen Zeitpunkten t_n (n = 1, 2, ..., N) ausgesendet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält jedes Datenpaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) in dem Datenfeld 214-n (n = 1, 2, ..., N) die codierten Nutzdaten, die unterschiedlich codiert sind und sich somit die Redundanzinformationen von Datenpaket zu Datenpaket unterscheiden. D. h., gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung ENC zum Erzeugen beispielsweise ausgebildet, um die kanalcodierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) mit jeweils unterschiedlichen Redundanzinformationen bezüglich des Nutzdatenpakets 112 zu erzeugen.
Anhand von 3b wird beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Erzeugen der kanalcodierten Datenpakete 210-n mit jeweils unterschiedlichen codierten Nutzdaten und zugehörigen Redundanzinformationen bezüglich des zugehörigen ursprünglichen Nutzdatenpakets 112 dargestellt. Wie in 3b dargestellt ist, werden die Nutzdaten 112 der Länge L dem Codierer ENC, z. B. einem Faltungsencoder, mit der Coderate R' ≤ R_n/N zugeführt, der aus den Nutzdaten 112 ein codiertes, langes Datenpaket 210 mit der Länge L/R' erzeugt. Bezüglich der in 3b dargestellten Übersicht wird darauf hingewiesen, dass dort lediglich die codierten Nutzdaten mit den von den Nutzdaten abgeleiteten Redundanzinformationen (Datenfelder 214-n) in den Datenpaketen 210-n dargestellt sind, ohne explizit die zugeordneten Kerndaten 212-n anzugeben, die beispielsweise vor dem Sendevorgang den zugehörigen Datenfeldern 214-n zugeordnet werden können.
Erfindungsgemäß wird nun bei dem Faltungsencoder ENC ein sogenanntes Punktierungsschema an dem erhaltenen, langen Codewort 210 durchgeführt, wobei bei der Punktierung bestimmte Positionen des erhaltenen langen Codeworts weggelassen bzw. herausgenommen („punktiert”) werden. Dadurch lässt sich beispielsweise die resultierende Coderate erhöhen. Ferner können beispielsweise die Codewortlängen genau auf eine bestimmte Rahmenlänge für die nachfolgende Datenübertragung bzw. Datenspeicherungen ausgelegt werden.
Wie in 3b beispielhaft dargestellt ist, wird ein Punktierungsschema verwendet, bei dem das codierte Ausgangsdatenpaket 210 in zwei gleich große Teile (d. h. N = 2) aufgeteilt wird, so dass sich zwei punktierte Sendepakete 1 und 2 ergeben, die in Form der codierten Nutz- und Redundanzdaten 214-1, 214-2 mit den zugehörigen Kerndaten 212-1, 212-2 jeweils als codiertes Datenpaket 210-1, 210-2 gesendet werden können. Die codierten Datenpakete 1 und 2 können nun beispielsweise beide die gleiche Coderate L_n (R₁= R₂) oder auch unterschiedliche Coderaten (R₁ ≠ R₂) aufweisen.
Falls nun beispielsweise die punktierten Sendepakete 1 und 2 die gleiche Coderate R₁ = R₂ aufweisen, ergibt sich bei einer empfängerseitigen Kombination des ersten Datenpakets 210-1 und des zweiten Datenpakets 210-2 eine niedrigere kombinierte Coderate R' = R_n/2. Würde nun ein weiteres empfangenes kanalcodiertes Datenpaket 210-3 mit der Coderate R₃ = R₁ = R₂ (nicht gezeigt in 3b) empfängerseitig zur Decodierung und Kombination herangezogen werden, so würde sich die kombinierte Coderate in diesem Fall auf R' = R_n/3 verringern, wenn die Daten auch entsprechend 3-mal unterschiedlich codiert gesendet wurden. Diese Folge ist beliebig weiterführbar. Für die obigen Ausführungen wurde angenommen, dass die Coderate R_n (mit R₁ = R₂ = ... = R_n) für die zur Kombination und Decodierung verwendeten Datenpakete 210-n jeweils gleich ist.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist es ferner möglich, dass sich die Coderaten R_n (n = 1, 2, ... N), mit denen die Nutzdaten 112 in den zugehörigen, codierten Datenpaketen 210-n (z. B. mit den punktierten Sendepaketen) codiert sind, von Datenpaket zu Datenpaket unterscheiden können. Ferner ist es möglich, dass auch vorgegebene Gruppen von Datenpaketen 210-n (z. B. mit n = 1, 3, ... ”ungeradzahlig” bzw. n = 2, 4 ... ”geradzahlig”) zueinander unterschiedliche Coderaten aufweisen können. Die jeweilige Gruppe kann eine beliebige Auswahl (z. B. einzelne Datenpakete, mehrere aufeinander folgende Datenpakete, etc.) der Datenpakete 210-n, die auf einem zugehörigen Nutzdatenpaket 112 basieren, umfassen. Diese Zuordnung unterschiedlicher Coderaten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die punktierten Datenpakete 210-n eine unterschiedliche Größe aufweisen, so dass sich bezüglich der Coderaten R₁ ≠ R₂ ergibt (z. B. mit R₁ = ½ und R₂ = 1/3 usw.). So kann beispielsweise daraus in einem ersten Datenpaket 210-1 ein Kanalcode der Rate R₁ resultieren, während in einem zweiten Datenpaket 210-2 die codierten Nutzdaten mit einem Kanalcode der Rate R₂ codiert übertragen werden, usw.
Falls empfängerseitig die Decodierung des ersten Datenpakets 210-1 bzw. des Datenfelds 214-1 aufgrund eines zu niedrigen SNR am Empfänger 120 fehlschlägt, könnte durch eine Kombination des ersten codierten Datenpakets 210-1 mit dem zweiten codierten Datenpaket 210-2 eine effektive Coderate von R' = 1/(1/R₁ + 1/R₂) = 1/(2 + 3) = 1/5 erreicht werden, was die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Decodierung der Nutzdaten 112 erhöht. Dass die richtigen Pakete miteinander kombiniert werden, wird durch vorherige Decodierung der Paketkerndaten 212-n sichergestellt.
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann nun der Encoder ENC so ausgebildet sein, um zumindest eine vorgegebene Gruppe oder alle der codierten Datenpakete 210-n so zu erzeugen, dass diese jeweils bei einer (ausreichend korrekten) Übertragung für sich alleine auf der Decoderseite decodierbar sind, um die zugehörigen Nutzdaten 112 zu erhalten. Darüber hinaus kann der Encoder ENC so ausgebildet sein, dass ferner auch eine vorgegebene Auswahl der codierten weiteren Datenpakete 210-n (n = 2, 3, ...N) beispielsweise durch Rückführung der Punktierung kombinierbar und decodierbar sind. So können beispielsweise die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete 210-n aus einem einzelnen, längeren kanalcodierten Datenpaket 210 durch geeignete Punktierung erzeugt werden, wobei der Faltungscode und die Punktierung so gewählt sind, dass jedes der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete für sich dekodierbar ist und/oder alle möglichen Kombinationen der Datenpakete 210-n (2, 3, ... N Datenpakete) durch Rückführung der Punktierung dekodierbar sind.
Diese Eigenschaften können beispielsweise durch die Wahl der Generatorpolynome für den Faltungsencoder ENC und die Punktierungsmuster (Punktierungsschema) erhalten werden. Ferner können die Generatorpolynome für den Faltungsencoder ENC und die Punktierungsmuster (Punktierungsschema) an die spezifische Datenrate, Codierrate und Detektionsschwelle SNR des Sender-Empfängersystems angepasst werden. Dabei können insbesondere durch die codierten Sendepakete 210-n vorgegebene Performanceeigenschaften für die Decodierung erhalten bzw. eingestellt werden. So können beispielsweise die Generatorpolynome für den Faltungsencoder ENC und die Punktierungsmuster so gewählt werden, dass eine gewünschte Performance auf Decoderseite erreicht wird, und zwar beispielsweise unabhängig davon, welche codierten Datenpaketen 210-n oder welche vorgegebene Gruppe von codierten Datenpaketen empfängerseitig kombiniert und decodiert wird.
Ferner sind auch Ausführungsbeispiele denkbar, in denen in einem späteren Datenpaket nicht genau die Daten des ersten Datenpakets 210-1 (codierte Nutzdaten + Redundanz) wiederholt werden, sondern lediglich zusätzliche Redundanzinformationen geschickt werden, die ohne die Daten des ersten Datenpakets 210-1 allein nicht decodierbar wären. D. h., in einem solchen Fall würden lediglich in dem ersten Datenpaket 210-1 sowohl die Nutzdaten 112 als auch assoziierte Redundanzinformationen zur Fehlererkennung und -korrektur gesendet. In darauf folgenden Datenpaketen 210-2, 210-3, ..., 210-N würden dann lediglich inkrementell zusätzliche Redundanzinformationen gesendet. Dies soll Bezug nehmend auf 4 näher erläutert werden.
Senderseitig werden zunächst die Nutzdaten 112 und fehlererkennende Bits (CRC) beispielsweise mittels eines systematischen „Mutter”-Codes codiert. Daraus resultiert ein Codewort 410 aus systematischen Bits 412 und Paritätsbits 414. In einem ersten zu einem Zeitpunkt t₁ gesendeten Datenfeld 214-1 wird der systematische Teil 412 des Codeworts und eine bestimmte Anzahl, d. h. nicht alle, Paritätsbits 414-1, die zusammen ein Codewort 420 eines Muttercodes bilden, zu dem Empfänger 120 übertragen. Der Sender 110 sendet zu einem weiteren Zeitpunkt t₂ in einem Datenfeld 214-2 eines darauf folgenden codierten Datenpakets 210-2 zusätzliche Paritätsbits 414-2 mit evtl. unterschiedlicher Leistung oder über unterschiedliche Kanalbedingungen. Der Sender 110 sendet zu einem weiteren Zeitpunkt t₃ in einem weiteren Datenpaket 214-3 zusätzliche Paritätsbits 414-3, usw.
Empfängerseitig wird zunächst versucht, das Codewort 420 zu decodieren. Falls eine fehlerfreie Decodierung nicht möglich ist, wird ein erneuter Decodierungsversuch unternommen, wobei die zusätzlichen Paritätsbits 414-2 des Datenpakets 210-2 mit den vorher empfangenen Paritätsbits 414-1 des Datenpakets 210-1 kombiniert werden. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden, bis die Decodierung der Nutzdaten 112 erfolgreich ist.
Durch die inkrementell gesendete Redundanzinformation kann die durch Kombination resultierende effektive Coderate R' an die Kanal- bzw. Übertragungseigenschaften angepasst werden. Im normalen Fall, d. h. bei gutem Kanal bzw. wenig Interferenz zwischen den Teilnehmern, wird zunächst nur der punktierte Code des ersten Datenpakets 210-1 benutzt und erst bei abnehmender Kanalqualität werden die punktierten Stellen, die in den darauf folgenden Datenpaketen 210-2, 210-3, ..., 210-N enthalten sind, herangezogen, um die Korrekturfähigkeit zu erhöhen.
In jedem der verschiedenen Fälle ist die Anzahl der letztlich für eine fehlerfreie Dekodierung kombinierten Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) umgekehrt proportional zu dem empfangsseitigen SNR. D. h., je schlechter die Empfangsbedingungen, desto größer die Anzahl der zu kombinierenden Datenpakte.
5 veranschaulicht noch einmal einen möglichen Aufbau eines Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N). Der besser geschützte Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) des Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) enthält die Paketkerndaten in Form einer optionalen Senderidentifikationsnummer oder eines Teils davon (ID/Sub-ID), sowie die Nummer des Sendepakets (Paketnr.). Das Vorsehen der Senderidentifikationsnummer oder des Teils davon ist besonders bei großen Teilnehmerzahlen M vorteilhaft.
Wie es bereits angesprochen wurde, ist der Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) besser geschützt als der Nutzdatenbereich 214-n (n = 1, 2, ..., N), damit er auch unter extrem schlechten Kanalbedingungen (worst case) decodiert werden kann. Derartig schlechte Übertragungsbedingungen treten bei maximaler zeitlicher Interferenz der empfangenen Datenpakete am Empfänger 120 auf, d. h., wenn zufällig alle M Teilnehmer gleichzeitig senden. Auch bei Übertragungen über große Distanzen treten derart schlechte Übertragungsbedingungen auf.
Die Decodierschwelle der Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) sollte dabei mindestens gleich oder noch besser als die Decodierschwelle der (Nutz-)Datenfelder 214-n (n = 1, 2, ..., N) bei Kombination aller N Datenpakete 210-n sein. D. h., der Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) sollte relativ zu seiner Quellinformation 512-n (n = 1, 2, ..., N) mindestens genauso so viel oder mehr Redundanzinformationen 513-n (n = 1, 2, ..., N) aufweisen, wie die Summe der Redundanzinformationen 515-n (n = 1, 2, ..., N) aller N Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) eines Sendezeitintervalls T. Beispielsweise könnte der Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) mit einem Faltungscode der Rate ¼ geschützt sein, während die Nutzdaten 112 mit einem effektiven Faltungscode der Rate ½ geschützt sind. Würde man die codierten Nutzdaten 214-n auf N = 2 Nutzdatenpakete aufteilen, so hätte jedes Datenpaket für sich die Rate 1 und damit keine zusätzliche Redundanz. Bei der Kombination der beiden Blöcke im Empfänger 120 könnte z. B. die Information des zweiten Pakets 210-2 als Redundanzinformation des ersten Pakets 210-1 genutzt werden.
Werden nun die Nutzdaten durch einen Faltungscode der Rate 1/2 codiert, so ist die Anzahl der codierten Nutzdaten daher doppelt so groß wie die Anzahl der nicht codierten Nutzdaten. Wird nun diese doppelte Anzahl an codierten Nutzdaten in zwei Datenpaketen übertragen, so ist die Länge eines Datenpakets gleich der Länge der uncodierten Nutzdaten. Betrachtet man die Coderate zwischen den uncodierten Nutzdaten und den codierten Nutzdaten eines Datenpakets, so ergibt sich die Coderate 1. Die Aufteilung der Daten auf die beiden Datenpakete kann so durchgeführt werden, dass jedes Datenpaket für sich decodierbar ist und bei der Kombination der beiden Datenpakete im Empfänger die Coderate 1/2 entsteht. Es erfolgt somit eine Aufteilung der codierten Nutzdaten auf zwei Datenpakete, die zu unterschiedlichen Zeiten vom Sender ausgesendet werden.
Neben der höheren Redundanz im Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) ist es weiterhin auch vorteilhaft, im Kernbereich jeweils ein Synchronisationswort 516-n (n = 1, 2, ..., N) vorzusehen, mit dessen Hilfe sich der Empfänger 120 möglichst schnell aufsynchronisieren kann. Diese Synchronisation bzw. das Synchronisationswort 516-n (n = 1, 2, ..., N) wird dabei in jedem Datenpaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) verwendet, da bei einem Mehrteilnehmersystem jeder Sender eine eigene Referenztaktquelle (Oszillator) mit unterschiedlicher Toleranz aufweist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung ENC zum Erzeugen also ausgebildet, um die Paketkerndaten 212-n (n = 1, 2, ..., N) eines kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) ferner mit Synchronisationsdaten 516-n (n = 1, 2, ..., N) zu versehen, um dem Empfänger 120 eine Detektion des kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 1, 2, ..., N) von dem Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) zu ermöglichen. Beispielsweise könnte es sich bei den Synchronisationsdaten 516-n (n = 1, 2, ..., N) um einen sog. Manchester-Code handeln. Der Manchester-Code ist ein Leitungscode, der bei der Codierung das Taktsignal erhält. Dabei moduliert eine Bitfolge binär die Phasenlage eines Taktsignals. Die Detektionsschwelle, also das SNR, bei dem der Empfänger 120 ein einzelnes Empfangspaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) erkennen muss, ist abhängig von einer Gesamtempfindlichkeit des Empfängers 120, die sich bei der Kombination aller Empfangspakete 210-1, 210-2, ..., 210-N ergibt. D. h., je mehr Datenpakete 210-n kombinierbar sind, umso weiter sinkt die Empfangsschwelle ab, und umso größer sind die Anforderungen an die Synchronisation des Empfängers 120.
Die Sender senden ihre Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) zu pseudo-zufälligen Zeitpunkten aus, die dem Empfänger 120 zunächst nicht bekannt sind. Ist der Empfänger 120 zusätzlich auch noch mobil und nicht stationär, ändern sich ständig die Sender im Empfangsbereich des Empfängers 120. Sendet ein Sender 110-m erfindungsgemäß zusätzlich redundante Datenpakete zum Code-Combining aus, sollte der Empfänger 120 in der Lage sein, die Datenpakete einem Sender zuzuordnen, damit die richtigen Datenpakete kombiniert werden können. Die Zuordnung der Empfangspakete zu einem Sender wird dann schwierig, wenn die Paketkerndaten eines einzelnen Datenpakets aufgrund des gestörten Übertragungskanals nicht eindeutig decodiert werden können. Gerade in diesem Fall soll durch Kombination mehrerer redundanter Datenpakete die Decodierbarkeit der Nutzdaten 112-m verbessert werden. Wenn also in einem gestörten Übertragungskanal viele Empfangspakete von mehreren Sendern unvollständig empfangen wurden und miteinander kombiniert werden müssen, kann dies beispielsweise durch Ausprobieren aller Kombinationsmöglichkeiten geschehen. Ein unvollständiger Empfang stellt sich im hier angesprochenen Fall beispielsweise so dar, dass die Datenpakete nicht eindeutig einem Sender zugeordnet werden können, da z. B. die ID fehlerhaft empfangen wurde.
Bei einer geringen Anzahl von Sendern mag dies noch praktikabel sein. Steigt allerdings die Anzahl der Empfangspakete, z. B. weil sich sehr viele Sender im Empfangsbereich des Empfängers befinden, so steigt damit die benötigte Rechenleistung für verschiedene Kombinationsmöglichkeiten exponentiell an. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung lassen sich diese Kombinationsmöglichkeiten im Empfänger 120 aber gezielt einschränken, wodurch die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Empfängers 120 erhöht werden kann.
Durch den höheren Schutz der Sender- und Paketkennung im Kernbereich 212-n (n = 1, 2, N) kann auch bei schlechtem Empfang sichergestellt werden, dass jedes Empfangspaket 210-n (n = 1, 2, ..., N) eindeutig zuordenbar ist. Damit können Datenpakete gleicher Sender in dem Empfänger 120 kombiniert werden und es kann Rechenaufwand für Fehlkombinationen, die durch zufälliges Kombinieren von beliebigen Datenpakten entstünden, vermieden werden. Bezüglich des Begriffs „Fehlkombinationen” wird darauf hingewiesen, dass sich dieser hier nicht auf fehlende Kombinationen sondern auf Kombinationen, die nicht zu gesendeten Nutzdaten führen, d. h. also auf Kombinationen mit falschem Ergebnis, bezieht. Bei sehr langen Senderkennungen, die beispielsweise im Bereich von 48 Bit und mehr liegen können, würde im Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) bei Verwendung der gesamten Senderkennung sehr viel Redundanzinformation übertragen werden, was zu erhöhtem Energieverbrauch und damit verkürzter Batterielebensdauer des entsprechenden Senders 110-m führen kann. Um dies zu vermeiden, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auch nur ein Teil der Senderkennung (Sub-ID) im Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) oder auch nur eine kleinere MAC-Adresse (Message Authentication Code) übertragen werden. Damit ist zwar keine eindeutige Zuordnung von Datenpaketen 210-n (n = 1, 2, ..., N) zu einem Sender 110-m mehr möglich, da mehrere Sender die gleiche Teilkennung im Kernbereich 212-n (n = 1, 2, ..., N) nutzen können, so dass es wieder zu Fehlkombinationen kommen kann. Deren Anzahl ist aber weitaus geringer als bei einem unidirektionalen Mehrteilnehmersystem ohne Senderkennung im geschützten Kernbereich 212-n (n = 1, 2, N).
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der möglichen Paketkombinationen durch eine Ausnutzung von Zeitinformationen eingeschränkt werden. Üblicherweise werden vom Sender 110-m die Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) zwar zufällig, aber nur innerhalb eines gewissen Sendezeitfensters T versendet. Der Empfänger 120 kann nun durch Ausnutzung dieser Zeitinformation die Anzahl der möglichen Datenpaketkombinationen weiter einschränken. D. h., gemäß Ausführungsbeispielen ist empfängerseitig der Decoder DEC ausgebildet, um Informationen über das Sendezeitintervall T für das Decodieren der Paketkerndaten 212-n (n = 2, 3, ..., N) des wenigstens zweiten kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 2, 3, ..., N) von dem Sender 110-m zu nutzen, derart, dass ausgehend von dem ersten kanalcodierten Datenpaket 210-1 das wenigstens zweite kanalcodierte Datenpaket 210-n (n = 2, 3, ..., N) höchstens einen Zeitraum entsprechend dem Zeitintervall T früher oder später empfangen wurde.
Eine weitere Vorgehensweise zur Verringerung von möglichen Datenpaketkombinationen ergibt sich aus einem unterschiedlichen Frequenzversatz der einzelnen Sender 110-m zu einer nominellen Sendefrequenz f_c.nom. Dieser senderspezifische Frequenzversatz liegt üblicherweise von Sender zu Sender verschieden im Bereich von bis zu ±100 ppm (parts per million), so dass die einzelnen Sender leicht unterschiedliche Sendefrequenzen f_c,m (m = 1, 2, ..., M) um die nominelle Sendefrequenz f_c.nom aufweisen (siehe 6). Prinzipbedingt ist der Frequenzversatz Δf_m (m = 1, 2, ..., M) aber pro Sender kurzzeitig in einem Bereich von weniger als ±10 ppm. Ein Frequenzversatz eines Senders zur nominellen Sendefrequenz kann beispielsweise durch Fertigungstoleranzen der Schwingquarze entstehen. Dieser Frequenzversatz ist über einen langen Zeitraum vorhanden. Des Weiteren kann ein Frequenzversatz durch Alterung von Bauteilen hervorgerufen werden. Auch dieser Frequenzversatz ändert sich nur langsam über der Zeit. Eine kurzzeitige Änderung des Frequenzversatzes kann beispielsweise durch schnelle Temperaturänderung der elektronischen Schaltung hervorgerufen werden.
Wenn der Empfänger zusätzlich ausgebildet ist, eine Frequenzschätzung des empfangenen Signals vorzunehmen, kann diese Information zur richtigen Kombination von Datenpaketen genutzt werden. Der Empfänger 120 kann beispielsweise gemäß Ausführungsbeispielen einen betragsmäßigen Frequenzversatz Δf_m (m = 1, 2, ..., M) im Bereich von weniger als 10 ppm um f_c,m (m = 1, 2, ..., M) herum detektieren. Der Empfänger kann den Versatz der Sendefrequenz f_c,m detektieren, wobei dieser Frequenzversatz eine Schwankung von Δf_m aufweisen kann. Der Frequenzversatz eines Datenpaketes kann als Zuordnung zu einem Sender verwendet werden. Dieser Frequenzversatz sollte dabei in dem Bereich Δf_m um f_c,m liegen, damit das Datenpaket dem korrekten Sender zugeordnet wird. Dies kann dazu verwendet werden, die Anzahl der möglichen Datenpaketkombinationen weiter einzuschränken, da nur Empfangspakete, deren Frequenzversatz Δf_m innerhalb einer gewissen Grenze liegt, kombiniert werden. D. h., der Decoder DEC des Empfängers 120 ist gemäß manchen Ausführungsbeispielen ausgebildet, um Informationen über eine senderspezifische Abweichung Δf_m (m = 1, 2, ..., M) einer tatsächlichen Sendefrequenz f_c,m (m = 1, 2, ..., M) des Senders 110-m von einer nominellen Sendefrequenz f_c,nom für das Decodieren des wenigstens zweiten kanalcodierten Datenpakets 210-n (n = 2, 3, ..., N) des Senders 110-m und des Zeitintervalls T zu ermitteln und zu nutzen, derart, dass mit der senderspezifischen Abweichung empfangene kanalcodierte Datenpakete dem Sender 110-m zugeordnet werden können. Der Parameter Δf_m kennzeichnet den Frequenzbereich um f_c,m, in dem ein Datenpaket einem anderen Datenpaket zugeordnet werden kann. Liegt beispielsweise Δf_m bei 10 Hz mit f_c,1 = 6000 Hz, und wird nun beispielsweise ein Datenpaket mit einer Frequenz von 6004 Hz empfangen, so kann dieses Datenpaket zu einem Datenpaket mit 6002 Hz zugeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können beispielsweise zur Realisierung eines Systems zur Übertragung von kleineren Datenmengen, wie z. B. von Sensordaten etwa von Heizungs-, Strom- oder Wasserzählern, eingesetzt werden. Dabei kann an den Zählern/Sensoren eine Messeinrichtung mit einem Funksender gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angebracht werden, der die Sensordaten bzw. Nutzdaten drahtlos auf die im Vorhergehenden beschriebene Weise zu einem zentralen Empfänger 120 überträgt. Demnach umfassen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch ein Kommunikationssystem mit wenigstens einem Sender 110 und einem Empfänger 120 gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Ein derartiges Kommunikationssystem besitzt keinen Rückkanal von dem Empfänger 120 zu irgendeinem Sender 110-m (m = 1, 2, ..., M) und jeder Sender sendet seine Datenpakete 210-n (n = 1, 2, ..., N) zu einem zufälligen oder pseudo-zufälligen Zeitpunkt t_n (n = 1, 2, ..., N), der dem Empfänger 120 nicht bekannt ist. Der Empfänger 120 empfängt somit eine große Anzahl von Sendesignalen verschiedener Zähler bzw. Sensoren.
Obwohl manche Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit Sende-/Empfangsvorrichtungen beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung entsprechender Sende-/Empfangsverfahren darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Sende-/Empfangsvorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Sende-/Empfangsverfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einem digitalen Signalprozessor derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE Transactions an Communications, Bd. COM-33, Nr. 5, Mai 1985, D. Chase, „Code Combining – A Maximum-Likelihood Decoding Approach for Combining an Arbitrary Number of Noisy Packeis” [0008]

Claims

Sender (110-m) zum Übertragen von Nutzdaten (112-m) innerhalb eines Zeitintervalls (T) über einen Kommunikationskanal zu einem Empfänger (120), mit einer Einrichtung (ENC) zum Erzeugen einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) aus den Nutzdaten (112-m), wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer für jedes Datenpaket unterschiedlichen Paketkennung aufweist, und wobei die Paketkerndaten (212-n) mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten (112-m); und einer Einrichtung (TX) zum Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T) zu dem Empfänger (120).
Sender nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (TX) zum Senden ausgebildet ist, um die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) im Hinblick auf Inhalt und Sendezeitpunkte unabhängig von einem Rückkanal von dem Empfänger (120) zu dem Sender (110-m) in dem Zeitintervall (T) zu senden.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (TX) zum Senden ausgebildet ist, um ein erstes der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-1) zu einem zufälligen Zeitpunkt und verbleibende Datenpakete der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete darauf folgend innerhalb des Zeitintervalls zu senden.
Sender nach Anspruch 3, wobei die Einrichtung (TX) zum Senden ausgebildet ist, um die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) innerhalb des Zeitintervalls (T) nach dem zufälligen Zeitpunkt in vorbestimmten Zeitabständen (Δt) zu senden.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (TX) zum Senden ausgebildet ist, um die Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T) gemäß einem Zeitmultiplexverfahren zu senden.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (ENC) zum Erzeugen ausgebildet ist, um jedes der kanalcodierten Datenpakete (210-n) mit Paketkerndaten (212-n) entsprechend der Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets und zumindest einem Teil einer Senderkennung des Senders zu versehen.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (ENC) zum Erzeugen ausgebildet ist, um die kanalcodierten Datenpakete (210-n) mit jeweils unterschiedlichen Redundanzinformationen (515-n) bezüglich der Nutzdaten (112-m) zu erzeugen.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (ENC) zum Erzeugen ausgebildet ist, um die Paketkerndaten (212-n) eines kanalcodierten Datenpakets (210-n) ferner mit Synchronisationsdaten zu versehen, um dem Empfänger (120) eine Detektion des kanalcodierten Datenpakets (210-n) von dem Sender (110-m) zu ermöglichen.
Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einem Messgerät, insbesondere einem Heizungs-, Strom- oder Wasserzähler, gekoppelt ist, so dass dem Sender (110-m) die Nutzdaten (112-m) in Form von Messdaten von dem Messgerät bereitgestellt werden.
Sender nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Einrichtung (ENC) zum Erzeugen ausgebildet ist, um die kanalcodierten Datenpakete (210-n) mittels eines Faltungscodes und eines Punktierungsschemas aus den Nutzdatenpaket (112) zu erzeugen, so dass jedes kanalcodierte Datenpaket (210-n) einer vorgegebenen Gruppe von kanalcodierten Datenpaketen (210-n), die auf einem zugehörigen Nutzdatenpaket (112) basieren, unabhängig von den anderen kanalcodierten Datenpaketen (210-n) der Gruppe decodierbar ist.
Sender nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung (ENC) zum Erzeugen ferner ausgebildet ist, so dass zumindest eine vorgegebene Auswahl von Kombinationen der kanalcodierten Datenpakete (210-n), die auf dem zugehörigen Nutzdatenpaket (112-n) basieren, decodierbar sind.
Empfänger (120) zum Empfangen von Nutzdaten (112-m), die innerhalb eines Zeitintervalls (T) mittels einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) von einem Sender (110-m) über einen Kommunikationskanal zu dem Empfänger (120) übertragen werden, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete (210-n) Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets aufweist, und wobei die Paketkerndaten (212-n) mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten (112-m), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (RX) zum Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T); und einem Decoder (DEC) der angepasst ist, um Paketkerndaten (212-1) eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-1) des Zeitintervalls (T) zu decodieren und, im Fall eines Scheiterns eines fehlerfreien Decodierens des ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1), um Paketkerndaten (212-2) wenigstens eines zweiten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-2) des Zeitintervalls (T) zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket (210-2) des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket (210-1) zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten (112-m) zu erhalten.
Empfänger nach Anspruch 12, der keinen Rückkanal zu dem Sender (110-m) aufweist, um den Sender zu einem erneuten Senden eines kanalcodierten Datenpakets (210-2) im Fall einer fehlgeschlagenen Decodierung der Nutzdaten zu veranlassen.
Empfänger nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Decoder (DEC) ausgebildet ist, um durch die Decodierung des ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1) gewonnene Informationen als Redundanzinformationen zur Decodierung des zweiten oder eines weiteren kanalcodierten Datenpakets (210-2) zu verwenden, oder umgekehrt, um den erhöhten Codegewinn zu erhalten.
Empfänger nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Decoder (DEC) ausgebildet ist, um Informationen über das Zeitintervall (T) für das Decodieren der Paketkerndaten (212-2) des wenigstens zweiten kanalcodierten Datenpakets (210-2) von dem Sender (110-m) und des Zeitintervalls (T) zu nutzen, derart, dass ausgehend von dem ersten kanalcodierten Datenpaket (210-1) das wenigstens zweite kanalcodierte Datenpaket (210-2) höchstens einen Zeitraum entsprechend dem Zeitintervall früher oder später empfangen wurde.
Empfänger nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Decoder (DEC) ausgebildet ist, um Informationen über eine senderspezifische Abweichung (|f_c,nom – f_c,m|) einer tatsächlichen Sendefrequenz des Senders (110-m) von einer nominellen Sendefrequenz (f_c,nom) für das Decodieren der Paketkerndaten (212-2) des wenigstens zweiten kanalcodierten Datenpakets (210-2) des Senders (110-m) und des Zeitintervalls (T) zu ermitteln und zu nutzen, derart, dass mit der senderspezifischen Abweichung (|f_c,nom – f_c,m|) empfangene kanalcodierte Datenpakete dem Sender (110-m) zugeordnet werden können.
Empfänger nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Decoder (DEC) ausgebildet ist, um ein kanalcodiertes Datenpaket (210-n) einer vorgegebenen Gruppe von kanalcodierten Datenpaketen (210-n), die auf einem zugehörigen Nutzdatenpaket (112) basieren, unabhängig von den anderen kanalcodierten Datenpaketen (210-n) der Gruppe zu decodieren.
Empfänger nach Anspruch 17, wobei der Decoder (DEC) ausgebildet ist, um zumindest eine vorgegebene Auswahl von Kombinationen der kanalcodierten Datenpakete (210-n), die auf dem zugehörigen Nutzdatenpaket (112-n) basieren, zu decodieren.
System zum Übertragen von Nutzdaten (112-m) innerhalb eines Zeitintervalls (T) von einen Sender (110-m) über einen Kommunikationskanal zu einem Empfänger (120), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (ENC) zum Erzeugen einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) aus den Nutzdaten (112-m), wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets aufweist, und wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten (112-m); einem Sender (TX; 110-m) zum Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T); einem Empfänger (RX; 120) zum Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T); und einem Decoder (DEC) der angepasst ist, um Paketkerndaten (212-1) eines ersten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-1) des Zeitintervalls (T) zu decodieren und, falls ein fehlerfreies Decodieren des ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1), um die Nutzdaten (112-m) zu erhalten, scheitert, um Paketkerndaten (212-2) wenigstens eines zweiten empfangenen kanalcodierten Datenpakets (210-2) des Zeitintervalls (T) zu decodieren, um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten zu erhalten.
System nach Anspruch 19, wobei zwischen dem Empfänger (120) und dem Sender (110-m) kein Rückkanal vorgesehen ist, um den Sender zu einem erneuten Senden eines kanalcodierten Datenpakets im Fall einer fehlgeschlagenen Decodierung der Nutzdaten zu veranlassen.
Verfahren zum Übertragen von Nutzdaten (112-m) innerhalb eines Zeitintervalls (T) über einen Kommunikationskanal zu einem Empfänger (120), mit folgenden Schritten: Erzeugen einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) aus den Nutzdaten (112-m), wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer für jedes Datenpaket unterschiedlichen Paketkennung aufweist, und wobei die Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten; und Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T) zu dem Empfänger (120).
Verfahren nach Anspruch 21, gemäß dem eine Mehrzahl von Sendern (110-m) senderspezifische Nutzdatenpakete (112-m) zu dem Empfänger (120) übertragen, wobei jeder Sender (110-m) eine Mehrzahl kanalcodierter, senderspezifischer Datenpakete (210-n) aus dem senderspezifischen Nutzdatenpaket erzeugt, und wobei jedes der kanalcodierten, senderspezifischen Datenpakete kanalcodierte, senderspezifische Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer Paketkennung des jeweiligen kanalcodierten Datenpakets und zumindest einem Teil einer Senderkennung des Senders (110-m) aufweist, wobei die senderspezifischen Paketkerndaten mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als das senderspezifische Nutzdatenpaket.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei das Senden der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T) unabhängig von einem Empfang der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete und/oder einem Erfolg oder Scheiterns eines Decodieren der Nutzdaten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die kanalcodierten Datenpakete (210-n) mittels eines Faltungscodes und eines Punktierungsschemas aus den Nutzdatenpaket (112) erzeugt werden, so dass jedes kanalcodierte Datenpaket (210-n) einer vorgegebenen Gruppe von kanalcodierten Datenpaketen (210-n), die auf einem zugehörigen Nutzdatenpaket (112) basieren, unabhängig von den anderen kanalcodierten Datenpaketen (210-n) der Gruppe decodierbar ist
Verfahren nach Ansprüche 24, wobei die kanalcodierten Datenpakete (210-n) mittels des Faltungscodes und des Punktierungsschemas aus den Nutzdatenpaket (112) erzeugt werden, so dass zumindest eine vorgegebene Auswahl von Kombinationen der kanalcodierten Datenpakete (210-n), die auf dem zugehörigen Nutzdatenpaket (112-n) basieren, decodierbar sind.
Verfahren zum Empfangen von Nutzdaten (112-m), die innerhalb eines Zeitintervalls (T) von einem Sender (110-m) mittels einer Mehrzahl kanalcodierter Datenpakete (210-n) über einen verrauschten Kommunikationskanal zu einem Empfänger (120) übertragen werden, wobei jedes der kanalcodierten Datenpakete Paketkerndaten (212-n) entsprechend einer für jedes Datenpaket unterschiedlichen Paketkennung aufweist, und wobei die Paketkerndaten (212-n) mit einem Kanalcode höherer Redundanz codiert sind als die Nutzdaten (112-m), mit folgenden Merkmalen: Empfangen der Mehrzahl der kanalcodierten Datenpakete (210-n) in dem Zeitintervall (T); Decodieren von Paketkerndaten (212-1) eines ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1) des Zeitintervalls (T); und im Fall eines Scheiterns eines Decodierens des ersten kanalcodierten Datenpakets (210-1), Decodieren von Paketkerndaten (212-2) wenigstens eines zweiten kanalcodierten Datenpakets (210-2) des Zeitintervalls (T), um ein geeignetes weiteres kanalcodiertes Datenpaket des Zeitintervalls für eine Kombination mit dem ersten kanalcodierten Datenpaket zu ermitteln, um aufgrund der Kombination einen erhöhten Codegewinn für eine Decodierung der Nutzdaten zu erhalten.
Verfahren zum Empfangen von Nutzdaten nach Anspruch 26, wobei ein kanalcodiertes Datenpaket (210-n) einer vorgegebenen Gruppe von kanalcodierten Datenpaketen (210-n), die auf einem zugehörigen Nutzdatenpaket (112) basieren, unabhängig von den anderen kanalcodierten Datenpaketen (210-n) der Gruppe decodiert wird.
Verfahren zum Empfangen von Nutzdaten nach Anspruch 27, wobei eine vorgegebene Auswahl von Kombinationen der kanalcodierten Datenpakete (210-n), die auf dem zugehörigen Nutzdatenpaket (112-n) basieren, decodiert wird.
Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner oder Mikrocontroller abläuft.