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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten.
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Hierbei werden Daten von mehreren Sendern über ein gemeinsames Übertragungsmedium versendet. Der Zugriff auf das Übertragungsmedium erfolgt unter Verwendung eines Random Access-Verfahrens. Hierbei existiert keine zentrale Steuereinheit, die den Zugriff zum Übertragungsmedium kontrolliert oder koordiniert.
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Ein Beispiel für eine Random Access Technik ist das Aloha Protokoll, bei dem jeder Teilnehmer asynchron und zu einem beliebigen Zeitpunkt seine Datenpakete sendet. Wenn mehr als ein Teilnehmer zu einem Zeitpunkt gleichzeitig sendet, kollidieren die Datenpakete und können daher nicht dekodiert werden (die Pakete gehen verloren). Diese Kollisionen beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit des Übertragungsprotokolls, so dass der maximale Datendurchsatz mit Aloha nur bei 18% liegt.
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Es existieren andere Random Access Techniken, die einen höheren Durchsatz erlauben, zum Beispiel, Slotted Aloha, bei welchem die Teilnehmer zeitsynchronisiert sind. Beim Slotted Aloha Verfahren wird die Zeit in Zeitschlitze unterteilt und Teilnehmer dürfen nur zu Beginn eines Zeitschlitzes senden. Slotted Aloha erreicht einen maximalen Durchsatz von 36%.
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In den letzten Jahren sind mehrere Techniken entstanden, die ”Interference Cancellation” anwenden (CRDSA, IRSA, CRA). Das Prinzip liegt darin, mehrere Kopien von einem Paket zu senden. Zum Beispiel werden bei CRDSA immer 2 Kopien von jedem Paket gesendet. Jede Kopie enthält einen Zeiger zu allen anderen Kopien des Pakets. Wenn eine Kopie des Pakets dekodiert wird, dann weiß man aufgrund der Zeiger die Positionen, an denen alle anderen Kopien gesendet wurden, und man kann die Interferenz von allen Kopien entfernen. Wenn man diese Interferenz abzieht, werden möglicherweise Kopien von anderen Paketen von Interferenz befreit. Diese Kopien werden dann dekodiert, und die Interferenz an anderen Paketen wird wiederum abgezogen, usw. bis alle Pakete dekodiert werden.
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Details zum Aloha Protokoll können der folgenden Veröffentlichung entnommen werden:
- Abramson, N., ”Development of the Alohanet”, Information Theory, IEEE Transactions on, vol. 31, no. 2, März 1985, 119–123.
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Weitere Interference Cancellations – Verfahren sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- Casini, E., De Gaudenzi, R., Herrero, Od. R., ”Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CRSDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol. 6, no. 4, pp. 1408–1419, April 2007;
- Liva, G., ”Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution diversity Slotted ALOHA”, Communications, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, pp. 477–487, February 2011;
- Kißling, C., ”Performance Enhancements for Asynchronous Random Access Protocols over Satellite”, Proceedings of the International Communication Conference (ICC), 5–9 June, 2011.
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US 2009/0017759 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten wobei mehrere Sender ihre Daten in Form von Datenpaketen an mehrere Empfänger übertragen. Die verschiedenen Empfänger können auf Grund unterschiedlicher Signallaufzeiten dasselbe Datenpaket eines Senders mit unterschiedlichen Interferenzen empfangen.
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US 2007/0040704 A1 beschreibt ebenfalls ein Signalübertragungsverfahren, beim dem es aufgrund von Interferenzen zu Signalauslöschungen kommen kann. Die Datenpakete werden kodiert und bei ausreichend interferenzfreiem Empfang wieder dekodiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten unter Verwendung eines Random Access Verfahrens bereit zu stellen, das eine Erhöhung des Datendurchsatzes erlaubt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei mehrere Sender Daten unter Verwendung eines Random Access Verfahrens in Form von Datenpaketen an mehrere Empfänger übertragen. Bei den Empfängern kann es sich bspw. um mehrere Satelliten handeln, die ihre Daten von mehreren Sendeterminals, die sich auf der Erdoberfläche befinden, erhalten. Bspw. kann es sich um geostationäre Satelliten handeln, die zum Datenaustausch mit Sendeterminals auf der Erdoberfläche verwendet werden. Bevorzugt weisen mindestens zwei der mehreren Empfänger jeweils zu einem Sender eine unterschiedliche Entfernung auf. Dies bedeutet, dass diese mindestens zwei Empfänger dasselbe Datenpaket dieses Senders zu unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen, da die Signallaufzeit dieses Datenpakets zu diesen mindesten zwei Empfängern ausgehend von seinem Sender unterschiedlich ist. Somit wird dieses Datenpaket bei diesen mindestens zwei Empfängern unterschiedliche Interferenzen erfahren, da es aufgrund der unterschiedlichen Signallaufzeit bei jedem Empfänger mit anderen Datenpaketen (oder eventuell mit keinem anderen Datenpaket) kollidieren wird. Unterschiedliche Interferenzen bei verschiedenen Empfängern können auch dadurch entstehen, dass der Übertragungskanal zu dem jeweiligen Empfänger unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Dies kann beispielsweise auch der Fall sein, wenn die Empfänger sich in aus der Sicht der Sender verschiedenen Richtungen bewegen. In diesem Fall weist ein Paket verschiedene Doppler-Verschiebungen am Empfänger auf und wird dort mit leicht unterschiedlicher Frequenz empfangen. Somit wird dieses Datenpaket bei diesen mindestens zwei Empfängern aufgrund der verschiedenen Doppler-Verschiebungen unterschiedliche Interferenzen erfahren. Bspw. kann das Signal zu einem ersten Empfänger aufgrund bestimmter Eigenschaften des Übertragungskanals stärker abgeschwächt werden als das Signal zu einem zweiten Empfänger, so dass der zweite Empfänger das Signal mit weniger Interferenzen oder ohne Interferenzen enthält. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich, dass mindestens zwei Empfänger existieren, die dasselbe Datenpaket eines Senders mit unterschiedlichen Interferenzen erhalten haben. Unter einem interferenzfreien Empfang eines Datenpakets wird erfindungsgemäß verstanden, dass das Datenpaket mit so wenig Interferenzen behaftet ist, so dass ein erfolgreiches Dekodieren möglich ist. Es kann beispielsweise vorkommen, dass die Interferenzen, die durch gleichzeitig versendete andere Datenpakete verursacht werden, so schwach sind, dass das zu dekodierende Datenpaket trotz dieser Interferenzen dekodiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird, sofern einer dieser mindestens zwei Empfänger dieses Datenpaket ohne, oder mit zur Dekodierung ausreichend geringen Interferenzen empfangen hat, die durch dieses Datenpaket verursachte Interferenz bei dem mindestens einen anderen Empfänger, der dieses Datenpaket mit einer Interferenz behaftet empfangen hat, entfernt.
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Dieses Datenpaket kann somit bei dem ersten Empfänger dekodiert werden und beispielsweise zum Entfernen der durch dieses Datenpaket erzeugten Interferenz einem zweiten oder auch weiteren Empfängern direkt übermittelt werden. Die durch dieses Datenpaket bei den weiteren Empfängern verursachte Interferenz kann somit entfernt werden, so dass ein vorzugsweise iteratives Interference Cancellation-Verfahren unter Verwendung eines Datenaustausches zwischen den einzelnen Empfängern durchgeführt werden, kann.
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Es ist bevorzugt, dass alle Sender ihre Datenpakete in derselben Frequenz senden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Sender in leicht abweichende Frequenzen senden.
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Versuche des Anmelders, die auf Simulationen beruhen, haben gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren der Datendurchsatz im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren signifikant gesteigert werden kann. Details hierzu werden in Zusammenhang mit den Fig. der vorliegenden Anmeldung erläutert.
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Erfindungsgemäß werden als vorausgehender Schritt die unterschiedlichen Signallaufzeiten bei einem Sender zu den einzelnen Empfängern aufgrund der bekannten Positionen der Empfänger berechnet. Alternativ, bewegen sich die einzelnen Empfänger in verschiedenen Richtungen, so dass die einzelnen Empfänger die Übertragung eines Senders mit verschiedenen Dopplerverschiebungen erfahren.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Kopien eines Datenpakets, welche die Sender an die Empfänger senden, variiert wird, wobei wenn lediglich eine Kopie übermittelt wird, dennoch ein Interference Cancellation-Verfahren durchgeführt wird, sofern mindestens ein Empfänger dieses Datenpaket interferenzfrei empfangen hat. Eine Variation der Anzahl der Kopien eines Datenpakets innerhalb eines Frames kann beispielsweise basierend auf einer Wahrscheinlichkeitsverteilung gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten IRDSA-Verfahren erfolgen. Gemäß den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen lediglich eine Kopie eines Datenpakets innerhalb eines Frames übermittelt wurde (zum Beispiel Aloha-Verfahren), war es nicht möglich, ein Interference Cancellation-Verfahren durchzuführen. Dies wird erfindungsgemäß jedoch ermöglicht, ohne dass es notwendig ist aufwendigere Verfahren zu verwenden, bei denen mehrere Kopien eines Datenpakets übermittelt werden.
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Weiterhin ist es möglich, ein zeitschlitzbasiertes Zugriffsverfahren zu verwenden, wobei ein Zeit-Frame in eine Vielzahl von Zeitschlitzen aufgeteilt wird, in denen die Sender ihre Datenpakete senden. Aufgrund der unterschiedlichen Entfernung der Sender zu den Empfängern und den damit verbundenen unterschiedlichen Signallaufzeiten, kommen die Datenpakete unterschiedlicher Sender nur bei einem einzigen Empfänger genau synchron zu den Zeitschlitzen an. Dies bedeutet, dass die Sender ihre Datenpakete gemäß den Zeitschlitzen versenden, jedoch nur einer der Empfänger die Datenpakete synchron zu den Zeitschlitzen empfängt, während die anderen Empfänger nicht von der Aufteilung in Zeitschlitze profitieren. Anders ausgedrückt, können die User-Terminals nur synchron zu den Zeitschlitzen eines Empfängers sein. Andere Empfänger profitieren nicht von der Aufteilung in Zeitschlitzen. Die Verzögerung der User-Terminals zu den verschiedenen Empfängern muss unterschiedlich sein, damit durch das erfindungsgemäße Verfahren der Durchsatz erhöht werden kann. Der erhöhte Durchsatz entsteht somit dadurch, dass die Tatsache genutzt wird, dass verschiedene Versionen des gesendeten Paketes bei verschiedenen Empfängern ankommen.
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Zusätzlich kann versucht werden, die asynchron bei den anderen Nutzern ankommenden Pakete, zum Beispiel durch ein Sliding Window Verfahren, zu dekodieren.
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Sofern die Positionen der Sender und/oder Empfänger im Raum nicht bekannt sind, ist es möglich die Position eines Datenpaketes, das in einem Empfänger interferenzfrei oder mit zur Dekodierung ausreichend geringer Interferenz empfangen und dekodiert wurde, im Gesamtsignal in mindestens einem anderen Empfänger unter Verwendung einer Frame Synchronisierungstechnik insbesondere unter Verwendung eines Korrelierers, zu schätzen, so dass die durch dieses Datenpaket verursachte Interferenz im Gesamtsignal in diesem Empfänger entfernt werden kann. Dies gelingt auch, wenn die Datenpakete Interferenzen ausgesetzt sind, da in der Regel die Frame Synchronisierung robuster als die Dekodierung gegenüber Störungen auf dem Kanal ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass als Interference Cancellation Verfahren CRDS, IRDSA und CRA verwendet werden. Auch Aloha, und Slotted Aloha
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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1 zeigt ein einfaches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für einen Interference Cancellation Vorgang unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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3 stellt die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik dar.
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In 1 sind drei Sendeterminals 10a 10b 10c dargestellt, die ihre Datenpakete unter Verwendung eines Random Access Verfahrens über einen gemeinsamen Übertragungskanal an die Satelliten 12a, 12b übertragen wollen. Der Einfachheit halber wird angenommen, dass alle Sendeterminals zwei Kopien oder Instanzen (nämlich Original und eine zusätzliche Kopie) von jedem Datenpaket übermitteln. Die Übertragungsverzögerungen von Terminal x zu Satellit y sind als Tp,x-y bezeichnet. Es wird hier angenommen, dass Tp,x-1 stets stark unterschiedlich im Vergleich zu Tp,x-2 ist.
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zeigt, wie die Kopien der drei Datenpakete (jeweils ein Paket pro Sender plus die entsprechende zusätzliche Kopie) in beiden Empfängern empfangen werden. Würde man nur Empfänger 1 verwenden, könnte nur das schraffierte Paket dekodiert werden. Mit Empfänger 2 könnte nur das gepunktete Paket dekodiert werden. Hier jedoch können unter Verwendung beider Empfänger wie im erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen alle Pakete dekodiert werden. Der Interference Cancellation Vorgang würde folgendermaßen erfolgen:
Zunächst wird das schraffierte Paket in Empfänger 1 interferenzfrei empfangen und dekodiert.
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Anschließend wird die Interferenz aller weiteren Kopien dieses schraffierten Pakets in allen Empfängern entfernt.
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Das gepunktete Paket wird in Empfänger 2 interferenzfrei empfangen und dekodiert.
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Die Interferenz aller weiteren Kopien dieses gepunkteten Pakets wird in allen Empfängern entfernt.
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Jetzt kann das schwarze Paket in beiden Empfängern dekodiert werden, da es interferenzfrei ist.
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3 vergleicht die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Aloha Verfahren und dem CRA Verfahren mit zwei Kopien. Für das erfindungsgemäße Verfahren wurde angenommen, dass zwei Kopien von jedem Datenpaket übermittelt werden (ein Original und eine zusätzliche Kopie) und dass zwei Empfänger verwendet werden. Die zwei Empfänger liegen weit auseinander. Um den Durchsatz zu erhöhen, muss der Abstand zwischen den einzelnen Empfängern groß genug sein, so dass die unterschiedlichen Signallaufzeiten zu den einzelnen Empfängern sich um eine Zeitdifferenz unterscheiden, die vergleichbar oder größer ist als die Paketlänge. In 3 ist erkennbar, wie durch das erfindungsgemäße Verfahren der maximal mögliche Durchsatz erhöht werden kann (75% im Vergleich zu 28% für CRA und 18% für Aloha).
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Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht notwendig, dass die Empfänger in den Satelliten platziert sind. Es ist ebenfalls möglich, dass die Empfänger in zwei Empfangsstationen am Boden vorgesehen sind, welche zum Beispiel über verschiedene Satelliten, die jeweiligen Datenpakete empfangen. Auch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren in anderen Anwendungsszenarien zu verwenden, in denen mehrere Sender Daten an mehrere Empfänger übermitteln und der Übertragungskanal zu jedem Empfänger unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, die verschiedene Interferenzen verursachen.
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Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer terrestrischen Funkübertragung verwendet werden, wobei die Satelliten durch die zwei Funkbasisstationen (oder mehr) ersetzt werden. Die einzige notwendige Voraussetzung ist, dass an verschiedenen Empfängern Signale mit hinreichend großem Verzögerungsunterschied ankommen.
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Eine Verwendung der Erfindung kann auch in Unterwasser-Netzwerken stattfinden.
