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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird.
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In Kommunikationsnetzwerken erfolgt die Übertragung von Daten häufig durch Zufallszugriffsverfahren, nämlich ohne Koordinierung und häufig auch ohne Synchronisierung und Koordinierung der Nutzer. Ein Beispiel hierfür ist das ALOHA-Protokoll, in welchem jeder Nutzer seine Daten direkt sendet, wenn zu übertragende Daten vorliegen. Wenn während der Übertragung der Nachricht eine Kollision mit der Nachricht eines anderen Nutzers erfolgt, gehen beide kollidierten Nachrichten verloren. Der maximal mögliche Durchsatz des ALOHA-Verfahrens ist aufgrund dieser Tatsache begrenzt auf ca. 18% der Kanalkapazität. Der Hauptvorteil des ALOHA-Verfahrens gegenüber anderen Verfahren, wie beispielsweise Slotted-ALOHA, CSMA oder CRDSA, liegt in seiner Einfachheit, da eine Koordinierung der Nutzer nicht notwendig ist.
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Ein derartiger Bedarf an Zufallszugriffsverfahren, bei denen die einzelnen Nutzer unkoordiniert und unsynchronisiert übertragen können, besteht beispielsweise in der Satellitenkommunikation.
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Während beim reinen ALOHA-Protokoll (Pure-ALOHA) jeder Nutzer zu einem beliebigen Zeitpunkt seine Übertragung starten kann, wird bei Slotted-ALOHA die Zeit in Zeitintervalle eingeteilt, sodass eine Übertragung nur zu Beginn eines Zeitintervalls gestartet werden kann. Dies setzt eine zeitliche Synchronisierung der Nutzer voraus.
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CSMA (Carrier Sense Multiple Access) setzt voraus, dass alle Nutzer gegenseitig kommunizieren können und die ausgetauschten Informationen kurzfristig zur Verfügung stehen. Ein Nutzer prüft hierbei vor seiner Übertragung, ob das gemeinsame Medium im Moment schon verwendet wird und überträgt nur, falls keine anderen Übertragungen stattfinden. Für den Einsatz in Satellitennetzwerken, bei denen hohe Ausbreitungsverzögerungen auftreten (500 ms Round Trip Time), kann dieses Verfahren nicht angewendet werden, da die Rückmeldung über die Verwendung des gemeinsamen Kanals bei Ankunft beim anfragenden Nutzer nicht mehr aktuell ist (direktive Links, nur das Gateway kann die Gesamtauslastung messen und muss dies dem Benutzer zurückmelden). Typicherweise erfolgt die Anwendung von CSMA daher im Ethernet und lokalen Funknetzwerken mit geringerer Verzögerungszeit.
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Das Slotted-ALOHA-Verfahren steigert die Effizienz gegenüber dem reinen ALOHA-Verfahren auf ca. 37%. Das Slotted-ALOHA-Verfahren wurde weiterhin durch den Einsatz von SIC-Techniken (Successive Interference Cancellation) weiterentwickelt (CRDSA: Contention Resolution Diversity Slotted Aloha und IRSA: Irregular Repetition Diversity Slotted Aloha). Hierbei wird die Zeit nicht nur in Zeitschlitze, sondern auch in sogenannte Frames, nämlich Gruppen von Zeitschlitzen, unterteilt. Eine Datenübertragung (Datenpaket) wird nicht nur einmal durchgeführt. Im Gegenteil werden innerhalb eines Zeitrahmens (Frames) eine oder mehrere Replikas eines Datenpaketes gesendet, welche Verweise auf die Positionen der anderen Replikas besitzen. Wird eine der Replikas erfolgreich empfangen, kann für alle Kopien die von Ihnen verursachte Interferenz aus dem jeweiligen Gesamtsignal entfernt werden. Hierdurch werden eventuell andere Pakete, welche vorher einer Interferenz unterlagen, dekodierbar. Die Dekodierung findet durch iteratives Entfernen von Interferenzen statt, sodass diese Technik als Successive Interference Cancellation bezeichnet wird.
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Im Rahmen von IRSA wird die Anzahl der Replikas nicht statisch vorgegeben, sondern basierend auf einer Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt.
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Eine Beschreibung des ALOHA-Verfahrens sowie seiner oben beschriebenen Weiterentwicklungen ist in folgenden Veröffentlichungen zu finden:
- [1] N. Abramson, ”The ALOHA System – Another Alternative for Computer Communications”, in Proc. 1970 Fall Joint Computer Conference, vol. 37, AFIPS Press, 1970, pp. 281–285.
- [2] L. G. Roberts, ”ALOHA packet systems with and without slots and capture”, ARPANET System Note 8 (NIC 11290), June, 1972.
- [3] N. Abramson, ”The Throughput of Packet Broadcasting Channels” IEEE Transactions an Communications, col. COM-25, no. 1, pp. 117–128, January 1977.
- [4] O. del Rio Herrero, R. D. Gaudenzi, ”A High-Performance MAC Protocol for Consumer Broadband Satellite Systems”, in Proc. 27th AIAA International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC), Edinburgh (UK), June 2009.
- [5] O. del Rio Herrero, R. D. Gaudenzi, ”A High Efficiency Scheme for Quasi-Rail-Time Satellite Mobile Messaging Systems”, 10th International Workshop an Signal Processing for Space Communications, 2008.
- [6] G. Liva, ”A Slotted ALOHA Scheme Based an Bipartite Graph Optimization”, ITG Source and Channel Coding Conference, Siegen (Germany) January 2010.
- [7] G. Liva, ”Graph-based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA”, International ITG Conference an Source and Channel Coding, Siegen, Jan, 2010.
- [8] E. Casini, R. D. Gandenzi, O. d. Rio Herrero, ”Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA). An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions an 2007 6, 1408–1419.
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Eine nähere Darstellung des CRDSA-Verfahrens, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, findet sich in 1. Bis auf die erste Replika von Paket 1 sind alle Pakete von Interferenzen betroffen und können nicht direkt dekodiert werden. Im ersten Iterationsschritt wird das interferenzfreie Paket 1 dekodiert und die von der Replika dieses Pakets verursachte Interferenz im letzten Zeitschlitz von Paket 2 entfernt. Im nächsten Iterationsschritt kann Paket 2 dekodiert werden, sodass anschließend die Interferenz des Paketes 2 auf Paket 3 entfernt werden kann. Im nächsten Iterationsschritt kann Paket 3 dekodiert werden, sodass die Interferenz von Paket 3 auf Paket 4 entfernt werden kann. Schließlich kann Paket 4 dekodiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen von mehreren Nutzern gemeinsam genutzten Übertragungskanal bereitzustellen, wobei der Datendurchsatz erhöht werden kann, ohne dass eine Synchronisierung oder Koordination der Nutzer notwendig ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren verwenden mehrere Nutzer gemeinsam einen Übertragungskanal zu einem Empfänger. Die Daten werden von den Nutzern unter Verwendung des Pure-ALOHA-Verfahrens oder -Protokolls an den Empfänger übermittelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in Form von Datenpaketen durch die Nutzer innerhalb eines begrenzten Zeit- und/oder Frequenzrahmens zusammen mit mindestens einer Replika jedes Datenpaketes über den gemeinsamen Übertragungskanal zum Empfänger übermittelt werden. Erfindungsgemäß erfolgt ein Dekodieren eines interenzfreien Datenpaketes durch den Empfänger. Ein interferenzfreies Datenpaket ist ein Datenpaket, das auf der Zeit- und/oder Frequenzachse keine Interferenzen mit anderen Datenpaketen aufweist. Bei Verwendung von Kodieralgorithmen können ferner Datenpakete dekodiert werden, bei denen die Interferenz unter der Dekodierschwelle liegt. Die Möglichkeit hierzu ist abhängig von der Codestärke des verwendeten Codes.
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Hiernach werden Interferenzen, die durch die mindestens eine Replika eines dekodierten Datenpaketes verursacht werden, von einem oder mehreren weiteren Datenpaketen in demselben Zeit- und/oder Frequenzrahmen entfernt.
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Die beiden letztgenannten Verfahrensschritte werden so lange wiederholt, bis alle Datenpakete dekodiert wurden oder eine festlegbare maximale Anzahl an Iterationsschritten erreicht wurde. Wird in einem Interationsschritt kein weiteres Fragment mehr erfolgreich dekodiert, wird die Iteration abgebrochen.
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Erfindungsgemäß wird somit auf das Pure-ALOHA-Verfahren ein Successive-Interference-Cancellation-Prozess angewandt. Versuche des Anmelders haben gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Datendurchsatz auf bis zu 32% der Kanalkapazität (verglichen mit maximal 18% beim Pure-ALOHA-Verfahren) gesteigert werden kann, ohne dass eine Synchronisierung oder Koordination zwischen den Nutzern erforderlich ist. Auch ist es nicht erforderlich, dass alle Nutzer untereinander Informationen austauschen können, die jedem der Nutzer zeitnah zur Verfügung stehen, wie dies bei CSMA notwendig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit beispielsweise in der Satellitenkommunikation verwendet werden, in der ein schneller Austausch von Informationen zwischen den Nutzern nicht möglich ist. Ferner ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, längere Datenpakete zu übermitteln, da die Datenmenge pro Paket nicht durch die Länge eines Zeitschlitzes begrenzt ist.
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Es ist bevorzugt, dass ein Datenpaket und seine mindestens eine Replika innerhalb eines Zeit- und/oder Frequenzrahmens ohne eine zeitliche Synchronisierung oder eine Synchronisierung auf Frequenzschlitze zu beliebigen Zeitpunkten und/oder Frequenzen übermittelt werden. Diese Zeitpunkte und/oder Frequenzen können zufällig ausgewählt werden. Die Übertragung der Datenpakete ist somit insbesondere nicht ans Slots (Zeit- oder Frequenzschlitze) innerhalb des Zeit und/oder Frequenzrahmens gebunden. Jedes Datenpaket enthält bevorzugt die Information, an welchem Zeitpunkt und/oder bei welcher Frequenz innerhalb eines Zeit- und/oder Frequenzrahmens seine mindestens eine Replika übermittelt wurde.
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Die übermittelten Datenpakete müssen nicht alle dieselbe Länge aufweisen. Die Übertragung von Datenpaketen verschiedener Längen ist möglich, da ihre maximale Länge nicht durch die Länge eines Zeit- und/oder Frequenzslots begrenzt ist.
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Ein Datenpaket wird bevorzugt unter zwei Bedingungen als interferenzfrei angesehen. Hierbei ist es ausreichend, wenn eine der beiden Bedingungen erfüllt ist:
Ein Datenpaket ist interferenzfrei, wenn es sich auf der Zeit- und/oder Frequenzachse mit keinem anderen Datenpaket überlappt. Ferner ist ein Datenpaket interferenzfrei, wenn es nach Entfernung der Interferenz der Replika aller interferenzfreien Datenpakete und/oder der interferenzfreien Anteile aller Datenpakete wieder hergestellt werden kann. Diese zweite Bedingung bedeutet, dass ein Datenpaket interferenzfrei ist, wenn es von den Interferenzen einer oder mehrerer Replikas befreit wurde, die zu anderen interferenzfreien Datenpaketen gehören. Hierbei kann es sich auch um Anteile von Datenpaketen handeln. Sofern somit ein Anteil an einem Datenpaket interferenzfrei ist, kann dieser Anteil seiner Replikas von allen anderen Datenpaketen entfernt werden, bei denen durch diese Replikas Interferenzen verursacht werden.
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Das Entfernen der Interferenz der Replika der interferenzfreien Anteile aller Datenpakete kann unter Verwendung von Kanalkodierungsalgorithmen erfolgen.
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In einer Ausführungsform können von jedem Datenpaket gemäß einem konstanten Replikationsfaktor eine gleichbleibende Anzahl an Replikas übermittelt werden. Alternativ ist es möglich, gemäß einer Wahrscheinlichkeitsverteilung durch jeden Nutzer eine variable Anzahl an Replikas zu übermitteln. Dies bedeutet, dass eine Replika eines Datenpaketes mit einer ersten Wahrscheinlichkeit, zwei Replikas eines Datenpaketes mit einer zweiten Wahrscheinlichkeit, drei Replikas eines Datenpaketes mit einer dritten Wahrscheinlichkeit übermittelt werden usw. Die Summe aller dieser Wahrscheinlichkeiten ergibt selbstverständlich 1. Anders ausgedrückt wird die Anzahl an Datenpaketen, die durch einen Nutzer gleichzeitig innerhalb eines Zeit- oder Frequenzrahmens übermittelt werden, entsprechend einer Wahrscheinlichkeitsverteilung variiert. Hierdurch kann bei einer großen Anzahl übermittelter Datenpakete erreicht werden, dass die Anzahl der übertragenen Datenpakete sich immer mehr der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilung annähert, wobei die Anzahl für eine unendliche Anzahl übermittelter Datenpakete der Wahrscheinlichkeitsverteilung entspricht. Hierdurch kann die Notwendigkeit einer Koordination zwischen den Nutzern vermieden werden. Dies trifft beispielsweise für den Fall zu, dass zu viele Nutzer zum Beispiel genau drei Kopien von Datenpaketen übermittelt haben. Ohne eine Wahrscheinlichkeitsverteilung wäre es notwendig, dass alle Nutzer ihre Replikarate in Zukunft ändern, sodass weitere Dreifachkopien vermieden werden. Da dieses Vorgehen nicht praktikabel ist, kann durch das oben genannte Merkmal einer Wahrscheinlichkeitsverteilung eine Koordination zwischen den Nutzern vermieden werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1: Das CRDSA-Verfahren, das aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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2: Ein Beispiel der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 + 4: Messergebnisse unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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5: Eine Darstellung eines Szenarios, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann.
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1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
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In 5 sind vier Satellitenterminals 10, 20, 30, 40 gezeigt, die Datenpakete über einen gemeinsamen Übertragungskanal (nämlich unter Verwendung des Satelliten 50 zum Empfänger 60) nämlich der Bodenstation oder dem Gateway übermitteln möchten. Wird beispielsweise davon ausgegangen, dass jeder Nutzer ein Datenpaket übertragen will, könnte sich erfindungsgemäß eine Datenübertragung ergeben, wie sie in 2a dargestellt ist. Hierbei erfolgt die Wahl des Übertragungszeitpunktes durch die Nutzer 10, 20, 30, 40 zufällig, wodurch an der Bodenstation 60 die in 2a dargestellten zeitlichen Überlappungen auftreten. Zunächst ist es nur möglich, Paket 1 zu dekodieren, da alle anderen Pakete zumindest teilweise einer Interferenz unterliegen. Im ersten Iterationsschritt wird die Interferenz der Replika vom Paket 1 auf Paket 2 entfernt. Hiernach kann im Iterationsschritt 2 Paket 2 dekodiert werden, wonach die Interferenz der Replika vom Paket 2 auf Paket 3 aus dem Gesamtsignal entfernt werden kann. Im dritten Iterationsschritt wird die Interferenz von Paket 3 auf Paket 4 entfernt, womit auch dieses dekodiert werden kann. Sämtliche Datenpakete können somit dekodiert werden, ohne dass eine Koordination zwischen den Nutzern notwendig wäre.
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In 2b ist die linke Replika des Datenpaketes 1 etwas verschoben, sodass sich sein linker Teil mit dem Datenpaket 2 überlappt. Abhängig von der Codestärke des verwendeten Codes ist es dennoch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, da der linke Teil des Paketes 1 aus der rechten Replika in der ersten Zeile bekannt ist, sodass das Paket 1 dennoch vollständig wieder hergestellt werden kann. Unter Verwendung von Kanalkodierung könnte somit die rechte Replika des Datenpakets 1 auch dekodiert werden, falls die Interferenz und Rauschleistung ausreichend gering ist.
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In den 3 und 4 sind Ergebnisse von Versuchsreihen dargestellt, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wurden. In 3 ist der Datendurchsatz in Abhängigkeit von dem Traffic Load G dargestellt. Es sind die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ALOHA, Slotted-ALOHA und CRDSA dargestellt. Weiterhin werden die Ergebnisse dreier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei jeweils 2, 3 bzw. 4 Kopien eines Datenpaketes pro Frame übermittelt wurden. Es ist ersichtlich, dass bei der Übermittlung von 3 Datenpaketen pro Frame bei einem Wert von G von ungefähr 0,35 ein maximaler Datendurchsatz von 0,32 erreicht werden konnte, während das Pure-ALOHA-Verfahren lediglich ein Maximum von 0,18 erreicht.
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Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens ist somit besonders interessant in Fällen, bei denen unter geringer Last Daten mit sehr geringer Paketfehlerwahrscheinlichkeit übertragen werden sollen. In diesen Fällen kann das erfindungsgemäße Verfahren sogar eine bessere Performance als das CRDSA-Verfahren liefern, während der Vorteil erhalten bleibt, dass die Nutzer nicht koordiniert werden müssen.
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In
4 sind weitere Messergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik (IRCRA, Slotted-ALOHA, CRDSA) dargestellt. Bei einem IRCRA-Verfahren wurde die folgende Wahrscheinlichkeitsverteilung verwendet:
| 2 Datenpakete: 0,5; | (2 Pakete = 1 Originalpaket + 1 Replika) |
| 3 Datenpakete: 0,28; | (3 Pakete = 1 Originalpaket + 2 Replikas) |
| 8 Datenpakete: 0,22. | (8 Pakete = 1 Originalpaket + 7 Replikas) |
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Das beschriebene Verfahren kann bei jeglicher Art von Mehr-Nutzer-Datenübertragung mit Zufallszugriff angewendet werden. Wie bereits dargestellt, ist insbesondere eine Anwendung im Fall von Satellitensystemen interessant, bei dem das sonst sehr effiziente CSMA-Verfahren aufgrund der hohen Ausbreitungsverzögerungen nicht angewendet werden kann.
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Gewerblich anwendbar ist das Verfahren unter anderem bei Messaging-Diensten (terrestrisch oder über Satellit), in der Mobilkommunikation, Satellitenkommunikation oder in der Flugzeugkommunikation.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nimmt somit in besonderer Weise Rücksicht auf die speziellen Anforderungen der genannten Szenarien und insbesondere eines Satellitensystems mit seinen hohen Ausbreitungsverzögerungen.
