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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von über einen Kommunikationskanal übertragenen Datenpaketen.
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Insbesondere bei über einen drahtlosen Kommunikationskanal übertragenen Datenpaketen werden die Datenpakete auf ein analoges Signal aufmoduliert. Ein Datenpaket umfasst eine Anzahl an Symbolen, welche jeweils aus einem oder mehreren Bits gebildet sind. Aufgrund von auf den Kommunikationskanal einwirkenden, äußeren Einflüssen wird ein die Datenpakete repräsentierendes Signal verändert, wodurch das beim Empfänger ankommende Signal nicht mit dem von dem Sender ausgesendeten Signal identisch ist. Beim Empfang eines jeweiligen Datenpakets muss der Empfänger deshalb entscheiden, welches Bit bzw. Symbol durch das empfangene Signal repräsentiert ist. Manche solcher Entscheidungen können sehr sicher getroffen werden. Andere Entscheidungen sind hingegen mit einiger Unsicherheit behaftet.
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Die Mehrzahl der derzeit verwendeten Empfänger ist derart ausgebildet, dass diese sog. »harte Entscheidungen« (hard decision) verwenden. Bei dieser werden ohne Berücksichtigung des Kontexts oder der Sicherheit einer Entscheidung die empfangenen Bits oder Symbole unmittelbar einem einzelnen Bit oder Symbol zugeordnet. Bekannt sind auch solche Empfänger, welche eine sog. Soft-Bit-Entscheidung für einzelne Datenpakete treffen, wobei üblicherweise mit einem Faltungscode codierte Datenpakete unter Verwendung eines Viterbi-Decoders decodiert werden. Diese Decoder sind in der Lage, unsichere Symbole oder Bits in Abhängigkeit eines Kontexts zu rekonstruieren. Die einer Soft-Bit-Entscheidung zu Grunde liegende Vorgehensweise ist beispielsweise in [1] beschrieben.
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Bei einer Soft-Bit-Entscheidung werden die Symbole als reale Werte repräsentiert. Beispielsweise wird der Bitwert »0« durch einen negativen Wert (z. B. –1) repräsentiert. Der Bitwert »1« wird durch einen positiven Wert (z. B. 1) repräsentiert. Der absolute Wert ist ein Maß für die Sicherheit des Empfangs, so dass üblicherweise eine normalisierte Skala von 0 bis ±1 verwendet wird. Die Soft-Bit-Entscheidung in [1] kombiniert Soft-Bit-Werte beim Empfang von mehreren Sendern, um eine höhere Sicherheit für den empfangenen Inhalt zu erlangen.
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Im industriellen Umfeld ist die erfolgreiche Übertragung von Steuerinformationen enthaltenden Datenpaketen mit geringer Latenzzeit von großer Bedeutung. Kann ein Steuerinformationen enthaltendes Datenpaket vom Empfänger nicht in der erforderlichen Zeit korrekt decodiert werden, so kann unter Umständen die Steuerung eines Maschinensystems nicht mit der erforderlichen Präzision erfolgen. Beispielsweise repräsentieren die Steuerinformationen von einem Sensor des Senders erfasste Sensorwerte, welche zur Steuerung des Maschinensystems verwendet werden. In der Regel senden als Sensoren ausgebildete Sender ihre Messwerte in periodischen Abständen an den Empfänger, der diese weiterverarbeitet. Als Sensoren ausgebildete Sender sind in der Regel aus Kostengründen nicht in der Lage, Nachrichten anderer Knoten des Kommunikationssystems zu empfangen, wie beispielsweise solche Nachrichten, welche eine Bestätigungsnachricht über den erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Erhalt der Nachricht darstellen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die über einen Kommunikationskanal übertragenen Datenpakete mit geringer Latenzzeit verarbeitet werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Empfängereinheit anzugeben, welche die Verarbeitung von über einen Kommunikationskanal übertragenen Datenpaketen mit geringer Latenzzeit erlaubt.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Empfängereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verarbeiten von über einen Kommunikationskanal übertragenen Datenpaketen werden durch einen Empfänger folgende Schritte durchgeführt:
- a) für ein von einem Sender empfangenes erstes Datenpaket, das eine erste Anzahl an Symbolen umfasst, werden erste Soft-Bit-Informationen ermittelt;
- b) es wird eine Decodierung des ersten Datenpakets durchgeführt;
- c) im Falle einer fehlgeschlagenen Decodierung des ersten Datenpakets werden für ein von dem Sender empfangenes zweites Datenpaket, das eine zweite Anzahl an Symbolen umfasst, zweite Soft-Bit-Informationen ermittelt, wobei das zweite Datenpaket eine aufgrund der fehlgeschlagenen Decodierung angeforderte Wiederholung des ersten Datenpakets oder ein neues Datenpaket des Senders ist, das inhaltsgleich mit dem ersten Datenpaket ist;
- d) es werden die ersten und die zweiten Soft-Bit-Informationen miteinander zu einer Kombinationsnachricht kombiniert, aus der die in dem ersten und dem zweiten Datenpaket enthaltenen Bits ermittelt werden;
- e) es wird eine Decodierung der Kombinationsnachricht durchgeführt.
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Eine erfindungsgemäße Empfängereinheit zum Verarbeiten von über einen Kommunikationskanal übertragenen Datenpaketen umfasst:
- a) ein erstes Mittel zum Ermitteln von ersten Soft-Bit-Informationen für ein von einem Sender empfangenes erstes Datenpaket, das eine erste Anzahl an Symbolen umfasst;
- b) ein zweites Mittel zum Decodieren des ersten Datenpakets;
- c) ein drittes Mittel zum Ermitteln von zweiten Soft-Bit-Informationen für ein von dem Sender empfangenes zweites Datenpaket, das eine zweite Anzahl an Symbolen umfasst, wobei das dritte Mittel die Ermittlung der zweiten Soft-Bit-Informationen im Falle einer fehlgeschlagenen Decodierung des ersten Datenpakets durchführt, wobei das zweite Datenpaket eine aufgrund der fehlgeschlagenen Decodierung angeforderte Wiederholung des ersten Datenpakets oder ein neues Datenpaket des Senders ist, das inhaltsgleich mit dem ersten Datenpaket ist;
- d) ein viertes Mittel zur Kombination der ersten und zweiten Soft-Bit-Informationen zu einer Kombinationsnachricht, aus der die in dem ersten und dem zweiten Datenpaket enthaltenen Bits ermittelt werden können;
- e) ein fünftes Mittel zur Decodierung der Kombinationsnachricht.
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Die Erfindung lässt sich insbesondere im Umfeld von Kommunikationsnetzwerken einsetzen, in welchem sich häufig wiederholende Werte übertragen werden. Dabei wird die Wiederholung der Übertragung von inhaltsgleichen Datenpaketen bei Fehlern in der Datenübertragung in vorteilhafter Weise ausgenutzt. Unter einer Wiederholung ist in diesem Zusammenhang ein neues Datenpaket mit gleichem Inhalt im Vergleich zu einem zeitlich (unmittelbar) vorher gesendeten Datenpaket zu verstehen. Die Reduktion der Latenzzeit bei der Übertragung von Datenpaketen basiert damit auf der Kombination von sich wiederholenden Informationen mehrerer Datenpakete mit Soft-Informationen.
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Das vorgeschlagene Vorgehen weist insbesondere den Vorteil auf, dass auf die Übertragung von negativen Bestätigungsnachrichten (Negative Acknowledgement NAK) verzichtet werden kann, was insbesondere in solchen Kommunikationsnetzwerken von Vorteil ist, in welchen die die Datenpakete aussendenden Netzknoten nicht zum Empfang von Nachrichten eingerichtet sind. Insbesondere können die die Datenpakete aussendenden Netzknoten als einfache Sensoren ausgebildet sein, welche die von ihnen aufgenommenen Messwerte an die Empfänger zur weiteren Verarbeitung übertragen.
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Es ist dabei zweckmäßig, vor der Kombination der ersten und zweiten Soft-Bit-Informationen eine Dekodierung auch des zweiten Datenpakets durchzuführen. Ist diese erfolgreich, so kann auf die Kombination und die Dekodierung der kombinierten Soft-Bit-Informationen verzichtet werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung werden mehrere zweite Datenpakete bei der Ermittlung der Kombinationsnachricht verarbeitet. Die Verarbeitung mehrerer zweiter Datenpakete zur Ermittlung der Kombinationsnachricht weist den Vorteil auf, dass die Wahrscheinlichkeit der Decodierung auch unter schwierigen Empfangsverhältnissen erhöht werden kann.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird eine Soft-Bit-Information für jedes Symbol des ersten und zweiten Datenpakets ermittelt und es erfolgt eine Kombination einander entsprechender Symbole.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst jedes Datenpaket einen Indikator, welcher eine hohe Autokorrelation aufweist, wobei über den Indikator die Änderung oder Gleichheit des Inhalts des Datenpakets gegenüber dem (unmittelbar) zeitlich vorangegangenen Datenpaket signalisiert wird. Durch den Indikator wird dem Empfänger damit signalisiert, ob eine Kombination von Soft-Bit-Informationen mit zeitlich vorher empfangenen Datenpaketen vorgenommen werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn durch den Indikator des empfangenen Datenpakets signalisiert ist, dass dieses inhaltsgleich zu dem zeitlich zuvor empfangenen Datenpaket ist.
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Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, wenn der Indikator der Anzahl an Symbolen vorangestellt ist, um die Entscheidung über eine mögliche Kombination zu erleichtern. Der Indikator umfasst vorzugsweise eine Spreizsequenz, insbesondere einen Barker-Code. Eine solche Spreizsequenz, die auch unter dem Begriff Spreizcode bekannt ist, wird als »Change Indication Sequence (CIS)« bezeichnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird nach der erfolgreichen Decodierung der Kombinationsnachricht oder des ersten Datenpakets anhand der ermittelten Soft-Bit-Informationen eines empfangenen, weiteren Datenpakets eine Kanalmaske ermittelt, welche das Verhalten des Übertragungskanals repräsentiert. Diese Vorgehensweise wird als »Channel Estimation« bezeichnet und kann für die zukünftige Decodierung empfangener Datenpakete verwendet werden. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit der Dekodierung zukünftiger erster Datenpakete erhöht werden.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung werden die ermittelten ersten und zweiten Soft-Bit-Informationen in einen Speicher eingespeichert, welcher gelöscht wird, wenn das aktuell empfangene Datenpaket gegenüber dem zeitlich vorangegangenen Datenpaket einen geänderten Inhalt enthält. Mit anderen Worten werden die in den Speicher eingespeicherten Soft-Bit-Informationen gelöscht, wenn ein in den Datenpaketen enthaltener Indikator die Änderung eines Datenpakets gegenüber dem zeitlich vorangegangenen Datenpaket signalisiert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass keine Kombination von Soft-Bit-Informationen solcher Datenpakete vorgenommen wird, welche sich inhaltlich unterscheiden.
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In einer weiteren konkreten Ausgestaltung werden die Datenpakete von demselben Sender an den Empfänger übertragen. Die Erfindung kommt insbesondere bei der Übertragung von Datenpaketen zum Einsatz, welche auf Ultrawideband Impulse Radio, insbesondere auf dem Standard IEEE 802.15.4a, basieren. Bei einer Übertragung der Datenpakete gemäß diesem Standard können die Soft-Bit-Informationen beispielsweise durch einen Vergleich (d. h. eine mathematische Subtraktion) der Energiewerte zweier Zeiträume ermittelt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Übertragung von Datenpaketen von einem Sender an einen Empfänger, und
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm, das das Vorgehen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Sender S und einen Empfänger E, zwischen denen ein Kommunikationskanal K gebildet ist, über den der Sender S Datenpakete DP1, DP2 an den Empfänger E übertragen kann. Der Sender S ist beispielsweise ein Sensorknoten, welcher die von ihm erfassten Messwerte in periodischen Abständen an den Empfänger E überträgt. Der Empfänger E verarbeitet die Messwerte in einer für die Erfindung nicht relevanten Weise weiter.
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Jedes der von dem Sender an den Empfänger E übertragenen Datenpakete DP1, DP2 umfasst eine Anzahl an Symbolen, wobei jedes Symbol ein oder mehrere Bits umfasst. Der vorzugsweise drahtlose Kommunikationskanal kann aufgrund verschiedener Ereignisse beeinflusst sein, so dass die von dem Sender in dem betreffenden Datenpaket codierte Information nicht durch den Empfänger rekonstruiert und decodiert werden kann.
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Die Steuerung eines solchen Kommunikationssystems basiert auf der Verwendung des aktuellsten Sensorwerts. Wenn Datenpakete des Senders S verloren gehen bzw. nicht decodiert werden können, »altern« die Werte dieses Senders. Hierdurch kann die Betriebssicherheit des zu steuernden Maschinensystems nicht mehr gewährleistet werden. Solange sich die Sensorwerte nicht ändern, sind auch die in den Datenpaketen enthaltenen Informationen über eine bestimmte Anzahl an Datenpaketen inhaltsgleich.
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Das Kommunikationssystem basiert beispielsweise auf Ultrawideband Impulse Radio, insbesondere gemäß dem Standard IEEE 802.15.4a. Als Modulationsform kann z. B. Pulse Position Modulation verwendet werden. Die Empfänger dieses Kommunikationssystems demodulieren die Bits entsprechend eines Vergleichs von zwei ermittelten Energiewerten innerhalb spezifizierten Zeitintervallen. Soft-Bit-Informationen können somit durch das einfache Subtrahieren der Energiewerte der Zeitintervalle ermittelt werden, wobei das Ergebnis normalisiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand aus, dass in manchen Kommunikationsnetzen Datenpakete gleichen Inhalts wiederholt übertragen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Grund für die wiederholte Übertragung eines Datenpakets das periodische Aussenden von durch einen Sensor des Senders S aufgenommenen Messwerten an den Empfänger. Dabei erfolgt die Abtastung der Sensorwerte z. B. mit einer geringeren Frequenz als die periodische Übertragung eines Datenpakets mit dem jeweils aktuellen Messwert an den Empfänger. Die Abtastung der Sensorwerte kann auch mit einem Vergleich höherer Frequenz als die Übertragung der Datenpakete erfolgen, wobei dann z. B. nur geringe Schwankungen in den Messwerten erfasst werden.
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Die Übertragung eines inhaltsgleichen Datenpakets kann prinzipiell auch dann erfolgen, wenn der Empfänger E nicht in der Lage war, das gerade empfangene Datenpaket zu decodieren und in diesem Fall eine negative Bestätigungsnachricht (Negative Acknowledgement NAK) an den Sender überträgt. Dies erfordert jedoch, dass der Sender in der Lage ist, derartige NAKs zu empfangen, auszuwerten und die Übertragung des letzten Datenpakets zu wiederholen.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem wiederholten Datenpaket ein neues Datenpaket mit gleichem Inhalt bezüglich des zuletzt ausgesendeten Datenpakets verstanden.
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Eine wiederholte Übertragung kann auch dann erfolgen, wenn eine mehrfache Übertragung eines Datenpakets in dem dem Kommunikationsnetz zu Grunde liegenden MAC-Protokoll vorgesehen ist.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt damit die in 1 dargestellte Situation zu Grunde, gemäß der der Sender zunächst ein erstes Datenpaket DP1 mit einer ersten Anzahl an Symbolen (welche als Nutzdaten ND1 gekennzeichnet sind) an den Empfänger E übertragen werden. Zeitlich darauffolgend wird ein inhaltsgleiches, zweites Datenpaket DP2 mit einer entsprechenden Anzahl an Symbolen (wiederum gekennzeichnet durch Nutzdaten ND2) an den Empfänger übertragen. Den Nutzdaten ND1 bzw. ND2 des ersten und zweiten Datenpakets ist jeweils ein weiter unten näher beschriebener Indikator IND1, IND2 vorangestellt. Der Ablauf der Verarbeitung durch den Empfänger E ist in 2 dargestellt.
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Durch den Empfänger E werden durch ein erstes Mittel M1 zunächst für das von dem Sender S empfangene erste Datenpaket DP1 erste Soft-Bit-Informationen ermittelt (Schritt S1). Anschließend erfolgt durch ein zweites Mittel M2 des Empfängers eine Decodierung des ersten Datenpakets DP1 (Schritt S2). War die Decodierung des ersten Datenpakets DP1 erfolgreich, so braucht das inhaltsgleiche, zweite Datenpaket DP2 nicht mehr berücksichtigt werden. Im Falle einer fehlgeschlagenen Decodierung des ersten Datenpakets DP1 wird jedoch das von dem Sender S empfangene zweite Datenpaket DP2 bezüglich zweiter Soft-Bit-Informationen durch ein drittes Mittel M3 verarbeitet (Schritt S3). Anschließend werden durch ein viertes Mittel M4 die ersten und zweiten Soft-Bit-Informationen miteinander zu einer Kombinationsnachricht kombiniert, aus der die in dem ersten und dem zweiten Datenpaket enthaltenen Bits bzw. Symbole ermittelt werden (Schritt S4). Anschließend wird in Schritt S5 durch ein fünftes Mittel eine Decodierung der Kombinationsnachricht durchgeführt.
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Das Verfahren nutzt den Umstand, dass das gleiche, d. h. inhaltsgleiche, Datenpaket mehrere Male von dem Sender S an den Empfänger E übertragen wird. Der Empfänger E speichert für jedes empfangene Datenpaket Soft-Bit-Informationen in einem Speicher (Buffer) ab. Wenn auch die Decodierung für das zweite empfangene Datenpaket DP2 fehlschlägt, so kann aus den Soft-Bit-Informationen des ersten und des zweiten Datenpakets DP1, DP2 eine Kombinationsnachricht erstellt werden, welche dann decodiert wird.
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Die Ermittlung der Kombinationsnachricht kann z. B. durch die Addition der Soft-Bit-Informationen der beiden Datenpakete DP1, DP2 vorgenommen werden. Ebenso sind auf Schwellenwerten basierende Verfahren bekannt, bei denen alle unsicheren Soft-Bit-Informationen addiert werden, während alle sicheren Werte keiner Kombination unterzogen werden. Als unsicher werden Soft-Bit-Informationen beispielsweise dann angesehen, wenn in einem Werteraum von 0 bis +1 (für den Bitwert »1«) und 0 bis –1 (für den Bitwert »0«) die Soft-Bit-Information betragsmäßig kleiner als 0,5 ist. Als sicher werden die Soft-Bit-Informationen dann angesehen, wenn der Betrag größer als 0,8 ist. Verfahren zur Kombination von Soft-Bit-Informationen sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielsweise in [1] beschrieben.
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Ebenso ist es möglich, in der Kombinationsnachricht neben dem ersten empfangenen Datenpaket DP1 mehrere inhaltsgleiche zweite Datenpakete DP2 zu berücksichtigen. In diesem Fall können die Soft-Bit-Informationen im Rahmen einer Mehrheitsentscheidung für die Ermittlung der tatsächlichen Bits bzw. Symbole herangezogen werden.
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Der bereits erwähnte Indikator IND1, IND2, der den Nutzdaten ND1, ND2 (d. h. der Anzahl an jeweiligen Symbolen) vorzugsweise vorangestellt ist, gibt an, ob das zeitlich zuvor gesendete Datenpaket inhaltsgleich zu dem aktuellen Datenpaket ist oder nicht. Der Indikator umfasst vorzugsweise eine Spreizsequenz (Spreizcode), insbesondere einen Barker-Code. Der Indikator kann beispielsweise dazu verwendet werden, die Soft-Bit-Informationen inhaltsgleicher Datenpakete, welche in einem Speicher des Empfängers E gespeichert werden, aus diesem zu löschen, sobald ein Datenpaket mit anderem Inhalt empfangen wird. Die in dem Speicher enthaltenen Informationen können dann nicht mehr im Rahmen der Soft-Bit-Entscheidung herangezogen werden.
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Ein Barker-Code weist eine hohe Autokorrelation auf. Dies bedeutet, bei einer Invertierung seiner Signale entstehen starke Unterschiede bezüglich der ursprünglichen Information, welche auch in einem stark verrauschten Signal gut erkannt werden kann. In der Bitfolge eines Barker-Codes ist bekanntermaßen eine »0« oder eine »1« enthalten, die durch Vergleich mit gespeicherten Informationen durch den Empfänger decodiert werden kann.
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Wenn ein Datenpaket erfolgreich decodiert werden konnte, ermittelt der Empfänger den Inhalt des Indikators für jedes weitere empfangene Datenpaket. Sobald sich der Inhalt des Indikators ändert, wird der Speicher mit den Soft-Bit-Informationen gelöscht. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass eine Kombinationsnachricht nicht aus den Soft-Bit-Informationen inhaltlich unterschiedlicher Datenpakete gebildet wird. Ebenso kann der Indikator dazu genutzt werden, eine sog. Channel Estimation durchzuführen, bei der nach der erfolgreichen Decodierung der Kombinationsnachricht oder eines einzelnen Datenpakets anhand der ermittelten Soft-Bit-Informationen eines weiteren Datenpakets eine Kanalmaske ermittelt wird, welche das Verhalten des Übertragungskanals repräsentiert. Die Ermittlung einer Kanalmaske ist insbesondere für frequenzbasierte Verfahren, wie z. B. OFDM, von Interesse.
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Veröffentlichungen
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- [1] »Improving Network Coded Cooperation by Soft Information« von T. Volkhausen, D. Woldegebreal, H. Karl, University of Paderborn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard IEEE 802.15.4a [0019]
- Standard IEEE 802.15.4a [0026]
- »Improving Network Coded Cooperation by Soft Information« von T. Volkhausen, D. Woldegebreal, H. Karl, University of Paderborn [0038]
