DE102013213606B3

DE102013213606B3 - Verfahren zum Übertragen von Daten

Info

Publication number: DE102013213606B3
Application number: DE201310213606
Authority: DE
Inventors: Gianluigi Liva; Matteo Berioli; Andrea Munari; Federico Clazzer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei mehrere Sender (10a, 10b, 10c, 10d) unter Verwendung eines Random Access-Verfahrens ihre Daten in Form von Datenpaketen an mehrere Empfänger (12a, 12b, 12c) übertragen, wobei mindestens zwei der mehreren Empfänger (12a, 12b, 12c) dasselbe Datenpaket eines Senders (10a) mit unterschiedlichen Interferenzen empfangen, wobei insbesondere, sofern einer (12a) dieser mindestens zwei Empfänger (12a, 12b, 12c) dieses Datenpaket mit derart wenig Interferenzen empfangen hat, dass dieses Paket dekodiert werden kann und die durch dieses Paket verursachte Interferenz bei dem mindestens einen anderen Empfänger (12b), der dieses Datenpaket mit einer derartigen Interferenz empfangen hat, dass es nicht dekodiert werden kann, entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten.
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.
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.
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%.
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.
Details zum Aloha Protokoll können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

N. Abramson, ”The ALOHA system – another alternative for computer communications,” in Proc. of 1970 Fall Joint Computer Conf., vol. 37, Seiten 281–285, AFIPS Press, 1970.

Weitere Interference Cancellation – Verfahren sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

G. Choudhury and S. Rappaport, ”Diversity ALOHA – a random access scheme for satellite communications,” IEEE Trans. Commun., vol. 31, Seiten 450–457, Mar. 1983,
E. Casini, R. De Gaudenzi, and O. del Rio Herrero, ”Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CRDSA): an enhanced random access scheme for satellite access packet networks”, IEEE Trans. Commun., vol. 6, num. 4, Seiten 1408–1419, Apr. 2007,
De Gaudenzi, R.; del Rio Herrero, O.; ”Advances in Random Access protocols for satellite networks,” Satellite and Space Communications, 2009. IWSSC 2009. International Workshop on, Seiten 331–336, 9–11 Sept. 2009,
Liva, G.; ”Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,” Communications, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, Seiten 477–487, Februar 2011,
E. Paolini, G. Liva, and M. Chiani, ”High Throughput Random Access via Codes an Graphs: Coded Slotted ALOHA,”, IEEE ICC 2011.
E. Paolini, G. Liva and M. Chiani, ”Graph-Based Random Access for the Collision Channel without Feedback: Capacity Bound”, Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE, Seiten 1–5, 5.–9. Dezember 2011.

Problematisch an Random Access – Verfahren ist, dass die Übertragungen der einzelnen Nutzer systembedingt in unkoordinierter Weise geschehen, sodass die Effizienz, mit der die Übertragung stattfinden kann, gering ist. Die o. g. Verfahren versuchen diese Effizienz zu verbessern. Das klassische Slotted Aloha Verfahren erreicht einen maximalen Durchsatz von 0,36 Paketen pro Slot. Die folgenden Verbesserungen konnten durch die genannten Verfahren erzielt werden: CRDSA mit zwei Replikas: 0,55 Pakete pro Slot; CRDSA mit mehr als zwei Replikas (CRDSA++); 0,7 Pakete pro Slot; Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA): 0,9 Pakete pro Slot; Coded Slotted Aloha: beliebig nah an einem Paket pro Slot.
Bei all diesen Verfahren wird davon ausgegangen, dass Kollisionen am Empfänger immer detektiert werden und dass eine Kollision bedeutet, dass die komplette Information in den kollidierenden Datensegmenten im Random Access Frame verloren geht. Ferner wird davon ausgegangen, dass das Signal-Rauschspannungsverhältnis hoch genug ist, um ein perfektes Dekodieren zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass, wenn ein Datenburst kollisionsfrei empfangen wird, dieser immer erfolgreich dekodiert werden kann. Ferner wird von einer idealen Kanalschätzung ausgegangen.
Unter den genannten Voraussetzungen ist es für die beschriebenen Verfahren nicht möglich, eine Effizienz größer als 1 zu erreichen (siehe Paolini, E.; Liva, G.; Chiani, M.; ”Graph-Based Random Access for the Collision Channel without Feedback: Capacity Bound,” Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE, Seiten 1–5, 5–9 Dec. 2011).
US 2007/0040704 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei mehrere Sender ihre Daten an Empfänger übertragen. Mehrere Empfänger können dasselbe Datenpaket eines Senders mit unterschiedlichen Interferenzen empfangen. Die Empfänger übermitteln ihre empfangenen Datenpakete an einen Gateway, das versucht diese zu dekodieren.
DE 10 2011 011 397 B3 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird. Die Daten werden von den Nutzern unter Verwendung des Pure-Aloha-Verfahrens zum Empfänger übermittelt. Interferenzfrei empfangene Datenpakete werden dekodiert und zum Entfernen von Interferenzen in weiteren Replikas verwendet.
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.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1.
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. Alternativ können die Empfänger auch andere Luftfahrzeuge, bspw. Flugzeuge sein. Weiter können die Empfänger Access Points eines drahtlosen Netzwerks oder Basisstationen eines Mobilfunknetzes sein. Die verschiedenen Empfänger können die von dem Sender übermittelten Daten mit unterschiedlichen Interferenzen empfangen. Unterschiedliche Interferenzen bei verschiedenen Empfängern können dadurch entstehen, dass der Übertragungskanal zu dem jeweiligen Empfänger unterschiedliche Eigenschaften aufweist. 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. Bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren ist, 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, 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. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch angewandt werden, wenn mehrere Empfänger ein Datenpaket interferenzfrei empfangen haben, solange der erfindungswesentliche Gedanke bzgl. der Weiterleitung der empfangenen Datenpakete von den Empfängern an das zentrale Gateway realisiert ist.
Es ist vorgesehen, dass jeder Empfänger seine empfangenen Datenpakete an ein zentrales Gateway übermittelt, sodass dem Gateway die Datenpakete aller Empfänger zur Verfügung stehen. Das Gateway versucht die empfangenen Datenpakete zu dekodieren.
Erfindungsgemäß wird, sofern einer dieser mindestens zwei Empfänger dieses Datenpaket ohne Interferenzen empfangen hat, das Datenpaket durch das Gateway erfolgreich dekodiert.
Bevorzugt wird, die durch dieses Datenpaket verursachte Interferenz bei mindestens einem anderen Empfänger, der dieses Datenpaket mit einer anderen Interferenz behaftet empfangen hat, entfernt.
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.
Es ist bevorzugt, dass alle Sender ihre Datenpakete in derselben Frequenz senden.
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.
Bei erfolgreichem Dekodieren entfernt das Gateway in bevorzugter Ausführungsform die durch das dekodierte Datenpaket verursachte Interferenz unter Anwendung eines Successive Interference Cancellation – Verfahrens in den Datenpaketen, die das Gateway von allen anderen Empfängern empfangen hat. Hierbei kann es sich um Pakete handeln, die mit einer derartigen Interferenz empfangen wurden, dass sie nicht dekodiert werden können. Durch das beschriebene Verfahren ist es somit möglich ein Successive Interference Cancellation – Verfahren anzuwenden, auch wenn bspw. jeder Sender innerhalb eines Frames ein Datenpaket lediglich einmal übermittelt. Zu der Anwendung des SIC-Verfahrens muss somit nicht zwingerderweise die durch ein Datenpaket verursachte Interferenz in den identischen Kopien dieses Datenpakets innerhalb des Frames entfernt werden. Vielmehr ist es darüber hinaus möglich, die durch das dekodierte Datenpaket verursachten Interferenzen bei anderen Empfängern zu entfernen.
Sofern beim erfindungsgemäßen Verfahren lediglich ein einziger Empfänger vorhanden ist, der bspw. auch das Gateway selber sein kann, funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend einem klassischen aus dem Stand der Technik bekannten Random Access-basierten Uplink eines drahtlosen Systems.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, dass übertragene Pakete, die bei den Empfängern ankommen, einem durch den Übertragungskanal verursachten Fading unterliegen. Die Signalabschwächung, die beim jeweiligen Empfänger entsteht, kann von Empfänger zu Empfänger unterschiedlich sein. Dies kann bspw. in unterschiedlichen Eigenschaften der Übertragungskanäle zwischen Sender und den einzelnen Empfängern begründet liegen. Ferner kann sich auch bei dem gleichen Sender-/Empfängerpaar die Abschwächung, mit der ein Datenpaket empfangen wird, über die Zeit verändern. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass auch wenn eine Kollision auftritt, d. h. wenn mehrere Sender gleichzeitig senden, einer der Empfänger möglicherweise ein Datenpaket dekodieren kann, sofern alle gleichzeitigen Übermittlungen (außer derjenigen des Senders dessen Signal dekodiert werden soll) ausreichend stark durch den Übertragungskanal gedämpft werden, sodass ein ausreichend hoher Signal-Rauschspannungsabstand vorhanden ist. Aufgrund dieses Sachverhalts kann es vorkommen, dass das Gateway in der Lage ist, ein von einem ersten Empfänger übermitteltes Datenpaket zu dekodieren, auch wenn dieses interferenzbehaftet war, da die interferierenden Datenpaket in ausreichender Weise abgeschwächt wurden. Dieses dekodierte Datenpaket kann dann vom Gateway dazu verwendet werden, um Interferenzen, die durch dieses Datenpaket in anderen Empfängern verursacht wurden, zu entfernen. Somit kann es vorkommen, dass aufgrund verschiedener Kanalrealisierungen, verschiedene Empfänger in der Lage sein können, unterschiedliche Dateneinheiten zu dekodieren.
Es ist möglich, die maximale Anzahl von Iterationen für den SIC-Algorithmus zu definieren, sodass der SIC-Algorithmus nicht unendlich weitergeführt wird.
Zusätzlich zu den empfangenen Datenpaketen übermitteln die Empfänger Informationen über den Übertragungskanal an das Gateway. Das Gateway kann diese Informationen dazu verwenden, um nach erfolgreichem Dekodieren eines Datenpakets das analoge Übertragungssignal dieses Datenpakets wiederherzustellen. Somit kann die hierdurch verursachte Interferenz in allen anderen Empfängern entfernt werden.
Alternativ ist es möglich, dass die Empfänger das analoge Übertragungssignal aller Datenpakete, insbesondere ohne weitere Informationen über den Übertragungskanal an das Gateway übermitteln. Hierbei können Kanalschätzungsverfahren durch den Gateway durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewandt werden, indem bspw. ein Frame in mehrere Zeitschlitze (Slots) unterteilt wird. In diesem Fall können die Empfänger sämtliche Daten an das Gateway übermitteln, die sie innerhalb eines Zeitschlitzes empfangen haben. Wird ein nicht-zeitschlitzbasiertes Verfahren verwendet, so können die Empfänger alle Daten an das Gateway übermitteln, die sie innerhalb eines zu definierenden Zeitfensters erhalten haben.
Weiterhin wird erfindungsgemäß, die Häufigkeit, mit der Informationen über den Übertragungskanal an das Gateway übermittelt werden, angepasst. Dies kann in Abhängigkeit von der Umgebung, in der die Datenübertragung stattfindet, erfolgen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Anzahl der Kopien eines Datenpakets, welche die Sender an die Empfänger senden, zwischen 1 und x variiert wird, wobei x die Anzahl der Zeitschlitze in einem Frame ist, wobei wenn lediglich eine Kopie übermittelt wird, dennoch ein Interference Cancellation-Verfahren durchgeführt wird, sofern mindestens ein Empfänger dieses Datenpaket interferenzfrei empfangen hat. 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.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass in dem Empfänger ein vorangehendes erstes Interference Cancellation-Verfahren durchgeführt wird; als Interference Cancellation – Verfahren können CRDSA, CRDSA++, IRSA oder CRA verwendet werden. Das Gateway kann dann ein zweites Interference Cancellation-Verfahren über mehrere Empfänger durchführen. Diese zwei Arten von Interference Cancellation können aber auch beide gemeinsam vom Gateway durchgeführt werden, wenn bspw. die Empfänger das analoge Übertragungssignal aller Datenpakete an das Gateway übermitteln.
Es ist bevorzugt, dass jeder Sender genau ein Datenpaket pro Frame an die Empfänger übermittelt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch anwendbar, wenn kein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt wird. Simulationen der Anmelderin haben ergeben, dass das erfindungswesentliche Merkmal, nämlich die Weiterleitung von dekodierbaren Paketen von mindestens einem Empfänger an das zentrale Gateway auch ohne ein Successive Interference Cancellation Verfahren zu einer Steigerung der Performance führt. Details hierzu werden im Zusammenhang mit den Figuren der vorliegenden Anmeldung erläutert. Das gilt unabhängig davon, welches Random Access Verfahren zwischen Sendern und Empfängern verwendet wird (ohne SIC, bspw. Aloha, slotted Aloha, oder mit SIC, CRDSA, IRSA, CRA).
Allerdings ist es, wie bereits beschrieben, auch möglich im erfindungsgemäßen Verfahren auch dann ein zweites oder gemeinsames SIC-Verfahren im Gateway durchzuführen, wenn jeder Sender genau ein Datenpaket pro Frame an die Empfänger übermittelt. In diesem Fall wird das SIC-Verfahren unter Verwendung des jeweils einen Pakets durchgeführt, das jeder Empfänger innerhalb eines Frames an das zentrale Gateway übermittelt hat, sodass die Interferenz basierend auf einem dekodierten Paket eines Empfängers bei den identischen Paketen aller weiteren Empfänger entfernt werden kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 zeigt ein einfaches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 stellt die Anzahl der empfangenen Pakete innerhalb eines Frames für unterschiedliche Anzahlen von Empfängern dar.
3 stellt die Wahrscheinlichkeit dar, weniger als 80% der übermittelten Pakete bei verschiedenen Anzahlen von Empfängern zu empfangen.
4 stellt den Datendurchsatz in Abhängigkeit von der normalisierten Verkehrslast dar, für ein System mit klassischen Slotted Aloha ohne Interference Cancellation.
5 stellt die Wahrscheinlichkeit der Sichtbarkeit von Low-Earth Orbit Satelliten in Abhängigkeit vom Elevationslimit dar (für ein mögliches Anwendungsszenario der Erfindung, wo die Satelliten die Empfänger sind).
6 zeigt ein zweites einfaches Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wo unter Verwendung von SIC ein höherer Durchsatz erreicht werden kann,
7 zeigt, für das Beispiel von 1, einen Interference Cancellation Vorgang unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
8 stellt den Datendurchsatz in Abhängigkeit von der normalisierten Verkehrslast dar, für ein System mit klassischen Slotted Aloha und mit Interference Cancellation im Gateway
9 stellt die Paketfehlerrate in Abhängigkeit von der normalisierten Verkehrslast dar, für ein System mit klassischen Slotted Aloha und mit Interference Cancellation im Gateway.
1 zeigt eine vereinfachte Topologie, in der das erfindungsgemäße Verfahren ohne SIC verwendet werden kann. Drei Sender 10a–10c übermitteln ihre Datenpakete an zwei Empfänger 12a–12b. Die Darstellung gemäß 1 kann bspw. betrachtet werden als eine Darstellung der Datenkommunikation, die innerhalb eines Zeitschlitzes stattfindet. In dem betreffenden Zeitschlitz findet somit eine Übermittlung durch die Sender 1, 2 und 3 statt. Übertragungskanäle, die zu einer starken Abschwächung der übertragenen Signale bei den Sendern führen, sind gestrichelt markiert, während Übertragungswege mit einem starken Signal mit einer durchgehenden Linie dargestellt sind.
Die Empfänger 12a, 12b übermitteln die empfangenen Datenpakete an das Gateway 13.
Gemäß 1 empfängt der erste Empfänger 12a die Signale des zweiten Senders 10b und des dritten Senders 10c in stark abgeschwächter Form.
Selbiges gilt für die Signale des ersten Senders 10a und des dritten Senders 10c beim zweiten Empfänger 12b.
Das Gateway 13 beginnt die Dekodierprozedur unter Berücksichtigung der Datenpakete, die Empfänger A erhalten hat. Das Gateway 13 kann somit das erste Datenpaket erfolgreich dekodieren. Das Gateway 13 setzt nun den Dekodiervorgang beim zweiten Empfänger 12b fort. Das zweite Datenpaket kann nun erfolgreich dekodiert werden.
Typischerweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren davon ausgegangen, dass die Zeit bei der Übermittlung aufgeteilt wird in Frames von jeweils S Zeitschlitzen. Die Systemparameter werden derart eingestellt, dass eine Dateneinheit in einem einzigen Zeitschlitz übermittelt werden kann. Es wird vorausgesetzt, dass sich die einzelnen Nutzer untereinander auf die verwendeten Zeitschlitze synchronisieren. Der Drahtlos-Link zwischen einem Sender i und einem Empfänger j (der auch als Relay bezeichnet werden kann), wird angesehen als ein Packet Erasure Chanel mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit ε_ij. Der Zustand des Übertragungskanals kann zwischen den einzelnen Nutzern variieren, so dass für jedes Sender-Empfängerpaar (i; j) eine unabhängige Kanalrealisation existiert. Weiterhin kann der Kanalzustand über die Zeit variieren, so dass es möglich ist, dass in verschiedenen Zeitschlitzen das selbe Sender-Empfängerpaar (i; j) eine unterschiedliche Fehlerwahrscheinlichkeit auf dem Übertragungskanal erfahren kann.
Unter den beschriebenen Voraussetzungen ist es das Hauptziel eines Bodenterminals (Senders) sein Datenpaket an mindestens ein Relay (Empfänger) zu übermitteln, das dieses anschließend an das Gateway weiterleiten kann. Mit n wird die Zufallsvariable bezeichnet, die die Anzahl erfolgreich übermittelter Pakete innerhalb eines betrachteten Frames darstellt. Interessante Aussagen über die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch Berechnen der statistischen Verteilung von n, d. h. p_n(i) = Pr{i Pakete werden von mindestens einem Relay empfangen}, i = 0;...; U.
Die gesuchte statistische Verteilung p_n(i) kann unter Anwendung von numerischen Simulationen berechnet werden. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt für U = 50 Nutzer und eine Kanalauslöschungswahrscheinlichkeit ε = 0,1. Die X-Achse ist normalisiert auf die Anzahl der Bodenterminals, d. h. sie zeigt n/U an. Die Framelänge wurde derart eingestellt, dass eine durchschnittliche Kanallast γ = U/S von ungefähr 0,66 Paketen pro Slot erhalten wird. Dies stellt einen typischen Wert für ein Slotted Aloha System dar. Es wurde eine Anzahl von Zeitschlitzen von S = 75 angenommen. Die unterschiedlichen Kurven in 2 stellen unterschiedliche Anzahlen von Relays oder Empfänger R dar.
Die verschiedenen Kurven stellen das Verhalten des beschriebenen Random Access Verfahrens dar, wenn die Anzahl der Relays zwischen 1 und 100 liegt. Die dargestellten Fälle sind für realistische Anwendungsszenarien relevant. Wenn ein einziger Empfänger vorhanden ist (wie es bspw. in einem klassischen satellitenbasierten System der Fall wäre) ist die Wahrscheinlichkeit, das gesamte Set U an Dateneinheiten zu empfangen, vernachlässigbar gering. Für eine Anzahl größer als 60% des Gesamtpaketsets sind die Wahrscheinlichkeitswerte bei R = 1 sehr gering. Ein bemerkenswerter Unterschied ist bereits bei zwei Empfängern zu verzeichnen, während für R > 10 die Wahrscheinlichkeit dafür, einen großen Anteil der übermittelten Daten zu empfangen (z. B. mehr als 80%) signifikant steigt. Für R = 10 ist hier bei 80%, nämlich einem Wert auf der X-Achse = 0,8 ein Wahrscheinlichkeitswert von 0,2 angegeben. Hierbei handelt es sich um das Intergral unter der dargestellten Wahrscheinlichkeitskurve für alle Werte größer als 80% Entsprechendes gilt für den Wert 0,95 für R ≥ 50.
Insofern werden aus 2 die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich. Unter der Annahme dass jedes Sender-Empfänger-Paar (i, j) ein unterschiedliches Kanalverhalten erfährt und somit unterschiedliche Signale empfangen werden, ergeben sich diese Vorteile unter anderem durch die Tatsache, dass die Verwendung mehrerer Empfänger es ermöglicht, Datenpakete wiederherzustellen, auch wenn mehrere Sender gleichzeitig in einem Zeitschlitz senden. Bspw. ist es möglich, dass ein Empfänger ein Datenpaket eines ersten Nutzers dekodieren kann, obwohl es zeitgleich mit dem Datenpaket eines anderen Nutzers im gleichen Zeitschlitz gesendet wurde, während dies für einen anderen Empfänger ggf. nicht möglich ist. Die Anzahl der notwendigen erneuten Übermittlungen von Datenpaketen, um eine erfolgreiche Datenübertragung sicherzustellen, kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert werden. Dies hat positive Auswirkungen auf den Übertragungsdelay und ferner auf den Energieverbrauch der sendenden Geräte. Dies kann besonders bei sensorbasierten Anwendungen oder Notfallapplikationen wichtig sein.
In 3 sind weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Als Ausfall wird hierbei derjenige Fall definiert, in dem ein Anteil der übermittelten Pakete in einem Frame empfangen wird, der kleiner als a ist. In 3 ist die Ausfallwahrscheinlichkeit für α = 0,8 in Abhängigkeit von der Anzahl R der zur Verfügung stehenden Relays oder Empfänger R dargestellt. Die durchschnittliche Kanallast liegt erneut bei γ = 0,66 mit U = 50 Sendern. Die verschiedenen Kurven zeigen das Verhalten des Random Access Uplinks, wenn die Kanalauslöschungswahrscheinlichkeit ε variiert. Die Anzahl der verwendeten Slots ist wieder S = 75.
Für sehr geringe Paketverlustraten (z. B. ε = 0,01) bleibt die Wahrscheinlichkeit, einen großen Anteil an Datenpaketen zu erhalten, selbst für eine große Anzahl von Empfängern vernachlässigbar gering. Dies liegt darin begründet, dass Auslöschungen selten vorkommen, so dass auch die Chance Kollisionen aufzulösen gering ist. Würden ideale Kanalbedingungen vorliegen (d. h. ε = 0), würde das erfindungsgemäße Verfahren dem Basic Slotted Aloha Verfahren mit einem einzelnen Empfänger entsprechen (unabhängig von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Empfänger). In diesem Fall wäre kein Performancegewinn zu verzeichnen.
Dagegen sind Vorteile bereits für Auslöschungswahrscheinlichkeiten der Größenordnung 0,1 zu erkennen, wenn eine Architektur verwendet wird, die auf mehreren Empfängern gemäß der vorliegenden Erfindung basiert. Sobald 20 Empfänger vorhanden sind, fällt die Ausfallwahrscheinlichkeit unter 0,3. Für ε = 0,2 liegt sei bei weniger als 0,05.
Auch für extrem unvorteilhafte Kanalbedingungen kann ein System mit mehreren Empfängern gemäß der vorliegenden Erfindung in zuverlässiger Weise kollisionsfreie Pakete liefern, da die Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine Dateneinheit einzeln in einem Zeitschlitz gesendet wurde und erfolgreich durch mindestens einen Empfänger empfangen werden kann, 1 – ε^R ist.
Ein weiterer beachtenswerter Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die klassische Durchsatzmessung, die in der Literatur häufig zur Beurteilung von Random Access und Slotted Aloha Verfahren verwendet wird. Um einen fairen Vergleich mit klassischen Slotted Aloha Verfahren zu ermöglichen, muss der durchschnittlich erzielbare Durchsatz pro Slot τ angegeben werden. n ist die Anzahl der empfangenen Dateneinheiten in einem Frame mit S Zeitschlitzen. In diesem Fall kann τ dargestellt werden als die zu erwartenden Pakete, die in einem Zeitschlitz empfangen werden: τ = E[n/S]
4 wurde basierend auf numerischen Simulationen erstellt und zeigt den Durchsatz τ in Abhängigkeit von der Kanallast G für unterschiedliche Werte von R. Die Paketauslöschungswahrscheinlichkeit wurde hier auf ε = 0,1 festgesetzt. Auch hier sind wieder die Vorteile einer Architektur mit mehreren Empfängern sichtbar. Bereits für R = 5 ist eine Verbesserung um den Faktor 1,5 im Vergleich zu der Referenzperformance des Slotted Aloha Verfahrens erkennbar. Für eine größere Anzahl von verfügbaren Empfängern können weitere Verbesserungen erzielt werden. Ein Durchsatz > als 1 kann erzielt werden für R > 60.
Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf eine bestimmte Auswahl für ε. Allerdings können die dargestellten Trends auch für andere Werte von ε bestätigt werden. Dies führt zu dem mathematisch belegbaren Schluss, dass der Wert τ unendlich wächst, wenn die Anzahl der verfügbaren Empfänger R unendlich wächst.
Zusätzliche Verbesserungen können durch eine geeignete Auswahl von Verfahren im Link-Layer erzielt werden.
Es ist bevorzugt, dass in Abhängigkeit der gegebenen Parameter eine bestimmte Mindestanzahl R von Empfängern verwendet wird. Bspw. kann für U = 50, S = 75 und ε = 0,1R > 40 sein. Für U = 50, S = 75 und ε = 0,4 könnte R größer als 7 gewählt werden.
Das vorgestellte Verfahren kann in allen Szenarien verwendet werden, in denen Random Access Verfahren Anwendung finden und die Möglichkeit besteht, mehrere Empfänger zu involvieren, die anschließend die empfangenen Daten einem gemeinsamen Nachbearbeiten z. B. durch einen Gateway zu führen. Konkrete Anwendungsszenarien können sein:

• Anwendungen in denen Empfänger Access Points eines Wireless Netzwerks (WLAN) oder Basisstationen eines Mobilfunknetzes sind, die über Backbord-Infrastrukturen mit eine zentralen Datenverarbeitungseinheit verbunden sind. Hierbei übermitteln Nutzer ihre Daten in Form eines Random Access Verfahrens.
• Wireless Sensor Networks (WNS), z. B. IEEE 802.15.4-basiert, in denen alle Sensoren mit einem Set von mehreren terrestrischen fest angeordneten Basisstationen kommunizieren. Die durch die Basisstationen empfangenen Daten können an ein zentrales Gateway zur weiteren Bearbeitung weitergeleitet werden.
• Anwendungen, in denen Satelliten-Basisstationen mehrere Satelliten als Empfänger verwenden. Dies kann sowohl in geostationären wie auch in LEO- oder MEO-Anwendungen der Fall sein. Beispielhaft seien hier genannt: bei einer geostationären Anwendung können mehrere Satelliten für das gleiche Set von Bodenterminals sichtbar sein. Eine sinnvolle Anwendung bei einer MEO-Architektur ergibt sich bspw. im O3B System (siehe www.o3bnetworks.com). Hierbei sollten hemisphärische Antennen verwendet. In diesem Fall können Terminals eine Sichtverbindung mit bis zu sechs Satelliten haben, so dass das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Sofern man für die Terminals einen minimalen Elevationswinkel von 20° annimmt, werden bei dem aktuell in der ersten Phase verfügbaren acht O3B Satelliten immer jeweils zwei Satelliten sichtbar sein. In der zweiten Phase, in der das O3B-System mit 24 Satelliten betrieben werden soll, werden jeweils bis zu sechs Satelliten sichtbar sein. In einer LEO-Anwendung können bspw. mehrere Iridium-Satelliten von einem einzigen Punkt auf der Erde sichtbar sein. Dasselbe gilt für die Globalstar-Konstellation. In der 5 ist die Wahrscheinlichkeit dargestellt, dass verschiedene Anzahlen von Globalstar Satelliten sichtbar sind (in Abhängigkeit von dem minimalen Elevationswinkel, der für das Terminal möglich ist, hier als Elevationslimit in Grad angegeben). Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren in Szenarien verwendet werden, in denen sogenannte High Altitude Platforms (HAP) über eine Region verteilt werden, um ein bestimmtes Gebiet zu überwachen und sich hierbei der Abdeckungsbereich überlappt. In diesem Fall können die HAPs als mehrere Empfänger für das erfindungsgemäße Random Access Verfahren verwendet werden (s. z. B. Google Loon Projekt: http://www.google.com/loon/).

6 zeigt eine weitere vereinfachte Topologie, in der das erfindungsgemäße Verfahren mit SIC im Gateway verwendet werden kann. Vier Sender 10a–10d übermitteln ihre Datenpakete an drei Empfänger 12a–12c, wobei Sender 3 gemäß 1 gerade kein Datenpaket sendet. Die Darstellung gemäß 6 kann bspw. betrachtet werden als eine Darstellung der Datenkommunikation, die innerhalb eines Zeitschlitzes stattfindet. In dem betreffenden Zeitschlitz findet somit eine Übermittlung durch die Sender 1, 2 und 4 statt. Übertragungskanäle, die zu einer starken Abschwächung der übertragenen Signale bei den Sendern führen, sind gestrichelt markiert, während Übertragungswege mit einem starken Signal mit einer durchgehenden Linie dargestellt sind.
Die Empfänger 12a, 12b, 12c übermitteln die empfangenen Datenpakete an das Gateway 13.
Gemäß 6 empfängt der erste Empfänger 12a die Signale des zweiten Senders 10b und des vierten Senders 10d in stark abgeschwächter Form. Selbiges gilt für die Signale des vierten Senders 10d beim zweiten Empfänger 12b und die Signale des ersten Senders 10a beim dritten Empfänger 12c. Die abgeschwächten Signale sind somit in der Darstellung gemäß 7 nicht sichtbar.
Das Gateway 13 beginnt die Dekodierprozedur unter Berücksichtigung der Datenpakete, die Empfänger A erhalten hat. Das Gateway 13 kann somit das erste Datenpaket erfolgreich dekodieren. Die durch das Datenpaket 1 verursachte Interferenze wird in den anderen Datenpaketen (hier in dem zweiten Empfänger 12b) entfernt. Das Gateway 13 setzt nun den Dekodiervorgang beim zweiten Empfänger 12b fort. Das zweite Datenpaket kann nun erfolgreich dekodiert werden, sodass die durch dieses Datenpaket verursachte Interferenz im dritten Empfänger C entfernt werden kann. Anschließend kann das Datenpaket 4, das der dritte Empfänger erhalten hat, dekodiert werden.
Es ist somit erkennbar, dass eine einzige SIC-Iteration ausreicht, um alle Datenpakete zu dekodieren, die über Slot t versendet wurden. Wenn ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren verwendet würde, bei dem lediglich ein Empfänger verwendet wird, könnte z. B. im Fall von Empfänger A lediglich ein einziges Datenpaket erfolgreich dekodiert werden.
Die Verwendung eines Gateways im erfindungsgemäßen Verfahren ist nicht zwingerderweise erforderlich. Vielmehr ist es auch möglich, dass die einzelnen Empfänger die empfangenen Datenpakete in direkter Weise untereinander austauschen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es somit, ein SIC-Verfahren anzuwenden ohne dass es notwendig ist, mehrere Replikas eines Datenpakets in einem Frame zu versenden. Dies ist besonders von Vorteil bei Anwendungen, in denen die Sender über begrenzte Energieressourcen zum Übertragen von Daten verfügen.
Weiterhin können positive Effekte in Bezug auf die zu erwartende Latenz bei der Datenübertragung erreicht werden, da es möglich ist, alle Datenpakete, die innerhalb eines Zeitschlitzes übermittelt wurden, am Ende dieses Zeitschlitzes (oder einer anderen Zeiteinheit) zu dekodieren. Es ist kein Buffering notwendig. Auch die Anwendung von zeitframe-basierten Strukturen, um alle Replikas eines Datenpakets zu sammeln, ist nicht notwendig.
Im Folgenden wird die Performance des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es wurde ein System berücksichtigt, bei dem Zeit in Frames aufgeteilt wird, wobei jeder Frame aus 100 Zeitschlitzen besteht. Jeder Nutzer übermittelt exakt ein Paket in jedem Frame. Die Kanallast wird variiert durch Verändern der Anzahl der Nutzer, die sich den Übertragungskanal teilen. Drahtlose Verbindungen wurden als sogenannte Erasure Channels modelliert, sodass ein übermitteltes Paket entweder beim Empfänger mit der Wahrscheinlichkeit ε eintrifft oder bei diesem überhaupt nicht eintrifft (mit der Wahrscheinlichkeit 1 – ε). Alle Datenverbindungen unterliegen der gleichen Auslöschungswahrscheinlichkeit und alle Kanalrealisationen für jedes Sender-/Empfängerpaar sind unabhängig voneinander. Pro Slot wird eine maximale Anzahl von 10 SIC-Iterationen durchgeführt. Ein Datenpaket wird als erfolgreich dekodiert angesehen, wenn es innerhalb dieses Prozesses wiederhergestellt werden kann.
8 stellt den erzielbaren Datendurchsatz dar (in Paketen pro Slot) in Abhängigkeit von der durchschnittlichen Last an Empfängern dar, deren Anzahl zwischen 1 und 20 schwankt. Die Verwendung eines einzelnen Empfängers entspricht dem Standard Slotted Aloha-System, bei dem kein SIC durchführbar ist.
Bereits bei der Verwendung von zwei Empfängern (A = 2) kann eine Steigerung der Performance beobachtet werden. Der Durchsatz wird für A = 5 verdoppelt, während für A = 10 eine Effizienz von nahezu einem wiederhergestellten Paket pro Slot am Gateway erreicht werden kann. Wenn mehr als 20 Empfänger vorhanden sind, kann ein Durchsatz von mehr als ein Paket pro Slot erreicht werden, sodass die Grenzen, die bei Random Access-Verfahren existieren, überschritten werden.
Es ist zu berücksichtigen, dass die Ergebnisse, die durch nummerische Simulationen ermittelt wurden, für verschiedene Parameter variieren können, sodass andere Konfigurationen dazu führen können, dass eine andere Anzahl an Empfänger notwendig ist, um die beschriebene Performance zu erreichen. Jedoch bietet das erfindungsgemäße Verfahren stets eine wesentliche Verbesserung der Performance. Die Kanalauslöschungswahrscheinlichkeit wurde auf 0,1 festgelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ferner Vorteile im Hinblick auf die Verlässlichkeit der Datenübertragung. Dies ist in 9 dargestellt, wo die Paketfehlerrate (Paket Error Rate (PER)) am Gateway nach der SIC-Prozedur dargestellt ist (in Abhängigkeit der nominalen Kanallast). Wieder wurde die Auslöschungswahrscheinlichkeit auf 0,1 festgelegt. Die verschiedenen Kurven in 9 zeigen die erreichbare Performance, wenn mehrere Empfänger verwendet werden. Es ist sichtbar, dass bei einer gegebenen PER das System mit signifikant höheren Kanallasten verglichen zu Slotted Aloha betrieben werden kann. Sofern es andererseits nicht möglich ist, den Betriebspunkt des Kanals zu kontrollieren, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen signifikanten Anstieg der Dekodierwahrscheinlichkeit, sodass ein verbesserter Quality of Service für die Nutzer geboten werden kann.
In beiden Fällen führt eine Verbesserung der PER zu vorteilhaften Effekten in Bezug auf den Energieverbrauch bei den Sendevorrichtungen und in Bezug auf die Latenz, mit der die Empfänger die dekodierten Datenpakete empfangen, sodass die Anzahl der erforderlichen erneuten Übertragungen von Datenpaketen (Retransmissions), die für ein erfolgreiches Übermitteln eines Datenpakets notwendig sein können, verringert werden kann.

Claims

Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei mehrere Sender (10a, 10b, 10c, 10d) unter Verwendung eines Raudom Access-Verfahrens ihre Daten in Form von Datenpaketen an mehrere Empfänger (12a, 12b, 12c) übertragen, wobei mindestens zwei der mehreren Empfänger (12a, 12b, 12c) dasselbe Datenpaket eines Senders (10a) mit unterschiedlichen Interferenzen empfangen, wobei jeder Empfänger (12a, 12b, 12c) seine empfangenen Datenpakete an ein Gateway (13) übermittelt, sodass dem Gateway die Datenpakete aller Empfänger (12a, 12b, 12c) zur Verfügung stehen, wobei das Gateway (13) versucht die empfangenen Datenpakete zu dekodieren, wobei, sofern einer (12a) dieser mindestens zwei Empfänger (12a, 12b, 12c) dieses Datenpakets mit derart wenig Interferenzen empfangen hat, dass dieses Paket dekodiert werden kann, das Gateway (13) dieses Paket erfolgreich dekodiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (12a, 12b, 12c) zusätzlich zu den empfangenen Datenpaketen Informationen über den Übertragungskanal an das Gateway (13) übermitteln, wobei das Gateway (13) diese Informationen verwendet, um nach erfolgreichem Dekodieren eines Datenpakets, das analoge Übertragungssignal eines Datenpakets wiederherzustellen, sodass insbesondere die hierdurch verursachte Interferenz in allen anderen Empfängern entfernt werden kann, wobei die Häufigkeit, mit der die Informationen an das Gateway (13) übermittelt werden, angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei erfolgreichem Dekodieren das Gateway (13), die durch das dekodierte Datenpaket verursachte Interferenz unter Anwendung eines Successive Interference Cancellation-Verfahrens in den Datenpaketen, die es von allen anderen Empfängern empfangen hat und die nicht dekodiert werden konnten, entfernt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (12a, 12b, 12c) das analoge Übertragungssignal aller Datenpakete, insbesondere ohne weitere Informationen über den Übertragungskanal, an das Gateway (13) übermitteln, wobei Kanalschätzungsverfahren vom Gateway (13) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (12a, 12b, 12c) sämtliche Daten an das Gateway (13) übermitteln, die sie innerhalb eines oder mehrerer Zeitschlitze bei einem zeitschlitzbasierten Verfahren oder innerhalb eines Zeitfensters bei einem nicht-zeitschlitzbasierten Verfahren empfangen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit, mit der die Informationen an das Gateway (13) übermittelt werden, angepasst wird, in Abhängigkeit von der Umgebung, in der die Datenübertragung stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kopien eines Datenpakets, die die Sender (10a bis c) innerhalb eines Frames an die Empfänger (12a, 12b) senden, zwischen 1 und x variiert wird, wobei x die Anzahl der Zeitschlitze in einem Frame ist, wobei wenn lediglich eine Kopie übermittelt wird, dennoch ein Interference Cancellation Verfahren durchgeführt wird, sofern mindestens ein Empfänger (12a) dieses Datenpaket interferenzfrei empfangen hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Interference Cancellation Verfahren Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA), CRDSA++, Irregular Repetition Diversity Slotted Aloha (IRDSA) oder Contention Resolution Aloha (CRA) zwischen Sendern und Empfängern verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (12a, 12b, 12c) Access Points eines drahtlosen Netzwerks oder Basisstationen eines Mobilfunknetzes sind, die über eine Backbone-Infrastuktur mit dem zentralen Gateway (13) verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (12a, 12b, 12c) Satelliten oder andere Luftfahrzeuge, insbesondere Flugzeuge sind, die Daten von auf der Erdoberfläche befindlichen Sendern (10a–10d) empfangen und diese an das Gateway (13) übermitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sender (10a–10d) genau ein Datenpaket pro Frame an die Empfänger übermittelt.