DE102013215829B3 - Method for transmitting data - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Random-Access-Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird, wobei die Zeitachse in Frames aufgeteilt wird, wobei ein Nutzer seine Daten unter Verwendung der folgenden Verfahrensschritte sendet: – Generieren eines Gesamt-Codewords aus den zu übertragenden Nutzdaten, – Generieren einer Vielzahl von codierten Paketen aus dem Gesamt-Codeword, – Übermitteln der codierten Pakete durch einen Nutzer an jeweils verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines Frames über den Übertragungskanal, wobei der Empfänger die empfangenen Daten gemäß den folgenden Verfahrensschritten verarbeitet: – Versuch eines Dekodierens der empfangenen codierten Pakete durch den Empfänger unter Verwendung des ihm bekannten Codes, – bei erfolgreichem Dekodieren mindestens eines codierten Pakets: Auslesen der Information über die Position der anderen d-1 codierten Pakete desselben Nutzers innerhalb des Frames aus dem erfolgreich dekodierten Paket, – Rekonstruieren der Symbolfolge in jedem der anderen d-1 codierten Pakete desselben Nutzers innerhalb des Frames, – Entfernen der durch die d codierten Pakete in Paketen anderer Nutzer verursachte Interferrenz unter Verwendung eines Successive Interference Cancellation Verfahrens.Method for transmitting data, wherein a random access transmission channel to a receiver is shared by a plurality of users, the time axis being divided into frames, a user sending his data using the following method steps: generating an overall codeword the user data to be transmitted, - generation of a large number of coded packets from the overall codeword, - transmission of the coded packets by a user at different times within a frame via the transmission channel, the receiver processing the received data in accordance with the following method steps: Attempt to decode the received coded packets by the receiver using the code known to him, - if at least one coded packet was successfully decoded: reading out the information about the position of the other d-1 coded packets from the same user within the frame from the successfully decoded packet t, - reconstruct the symbol sequence in each of the other d-1 encoded packets of the same user within the frame, - removing the interference caused by the d encoded packets in packets of other users using a successful interference cancellation method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird.The invention relates to a method for transmitting data, wherein a transmission channel to a receiver is shared by a plurality of users.
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.In communication networks, the transmission of data is often done by random access methods, namely without coordination and often without synchronization and user coordination. An example of this is the ALOHA protocol, in which each user sends his data directly when there is data to be transmitted. If a collision occurs with another user's message while the message is being transmitted, both collided messages will be lost. Due to this fact, the maximum possible throughput of the ALOHA process is limited to approx. 18% of the channel capacity. The main advantage of the ALOHA method over other methods, such as Slotted-ALOHA, CSMA or CRDSA, lies in its simplicity, since user coordination is not necessary.
Ein derartiger Bedarf an Zufallszugriffsverfahren, bei denen die einzelnen Nutzer unkoordiniert und unsynchronisiert übertragen können, besteht beispielsweise in der Satellitenkommunikation.Such a need for random access methods in which the individual users can transmit uncoordinated and unsynchronized, for example, in the satellite communication.
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.While with the pure ALOHA protocol (pure ALOHA) each user can start its transmission at any time, slotted ALOHA divides the time into time intervals so that a transmission can only be started at the beginning of a time interval. This requires a temporal synchronization of the users.
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.The slotted ALOHA method increases the efficiency compared to the pure ALOHA method to approximately 37%. The slotted ALOHA method was further developed by the use of Successful Interference Cancellation (CRC) techniques (CRDSA: Contention Resolution Diversity Slotted Aloha and IRSA: Irregular Repetition Diversity Slotted Aloha). Here, the time is not only in time slots, but also in so-called frames, namely groups of time slots, divided. A data transmission (data packet) is not performed only once. On the contrary, within a time frame (frames), one or more replicas of a data packet are sent, which have references to the positions of the other replicas. If one of the replicas is received successfully, the interference caused by them can be removed from the respective overall signal for all copies. As a result, possibly other packets that were previously subject to interference, can be decoded. The decoding takes place by iterative removal of interference, so this technique is referred to as Successive Interference Cancellation.
Im Rahmen von IRSA wird die Anzahl der Replikas nicht statisch vorgegeben, sondern basierend auf einer Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt.In the context of IRSA, the number of replicas is not determined statically, but determined on the basis of a probability distribution.
Nicht-schlitzbasierte Systeme erfordern eine weniger aufwendige Synchronisation der Frames und erlauben es eine Dateneinheit zu jeder beliebigen Zeit zu übertragen, so dass auch partielle Interferenzen eines Datenpakets mit einem anderen Datenpaket möglich sind.Non-slot based systems require a less complex synchronization of the frames and allow a data unit to be transmitted at any time, so that partial interference of one data packet with another data packet is possible.
Die beschriebenen Datenübertragungsverfahren sind unter anderem in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- [1] 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 Trans. Commun., vol. 6, num. 4, Seiten 1408–1419, April 2007
- [2] 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 September 2009
- [3] G. Liva, ”Graph-based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA”, Communications IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, Seiten 477–487, Februar 2011
- [4] C. Kissling, ”Performance Enhancements for Asynchronous Random Access Protocols over Satellite”, IEEE International Conference on Communications, 5–9 Jun. 2011
- [5] F. Clazzer, C. Kissling, ”Method for improving the throughput in an unslotted Aloha scheme with Contention Resolution via successive interference cancellation and replica combining”,
DE 10 2012 219 468.1
- [1] E. Casini, RD Gandenzi, O. d. Rio Herrero, "Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks", Wireless Communications, IEEE Trans. Commun., Vol. 6, num. 4, pages 1408-1419, April 2007
- [2] 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, pp. 331-336, 9-11 September 2009
- [3] G. Liva, "Graph-based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA", Communications IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, pages 477-487, February 2011
- [4] C. Kissling, "Performance Enhancements for Asynchronous Random Access Protocols over Satellite," IEEE International Conference on Communications, 5-9 Jun. 2011
- [5] F. Clazzer, C. Kissling, "Method for improving the throughput in an unselected Aloha scheme with contention resolution via successive interference cancellation and replica combining",
DE 10 2012 219 468.1
Unter den nicht schlitz-basierten Systemen wird bei Contention Resolution Aloha (CRA) gemäß Veröffentlichung [4] und der erweiterten Version (E-CRA) gemäß [5] die Idee einer Successive Interference Cancellation (SIC) verwendet, so dass eine höhere Leistungsfähigkeit erreicht werden kann. Das Funktionsprinzip von E-CRA ist in den
Das E-CRA Verfahren nutzt die Tatsache, dass möglicherweise unterschiedliche und ggf. zueinander komplementäre Abschnitte der Replikas eines bestimmten Datenpakets interferenzbehaftet sein können und versucht somit die nicht interferenzbehafteten Teile der Datenpakete in geeigneter Weise zu kombinieren um ein Dekodieren zu ermöglichen. Im dargestellten Beispiel kann der gesamte Informationsgehalt des Nutzers B rekonstruiert werden durch Verwenden der anfänglichen interferenzfreien Pakete der Replika B2 und der sich daran anschließenden nicht interferenzbehafteten Pakete der Replika B1. Wenn schließlich das Datenpaket B wiederhergestellt werden kann, wird die durch B1 und B2 verursachte Interferenz von den Paketen des Nutzers C entfernt, so dass diese ebenfalls dekodiert werden können.The E-CRA method makes use of the fact that possibly different and possibly complementary sections of the replicas of a particular data packet may be subject to interference and thus tries to combine the non-interference parts of the data packets in a suitable manner to enable decoding. In the illustrated example, the overall information content of user B can be reconstructed by using the initial interference-free packets of replica B2 and the subsequent non-interference packets of replica B1. Finally, if the data packet B can be recovered, the interference caused by B1 and B2 is removed from the packets of the user C, so that they too can be decoded.
Das verwendete Joint Successive Interference Cancellation Verfahren und der Ansatz Replikas zu rekombinieren führt bei E-CRA zu einem maximalen Durchsatz von 0,42 (mit 2 Replikas pro Frame) im Vergleich zu 0,35 bei CRA und 0,18 bei Pure Unslotted Aloha.The use of the Joint Successive Interference Cancellation method and the replica approach recombines with E-CRA for a maximum throughput of 0.42 (with 2 replicas per frame) compared to 0.35 for CRA and 0.18 for Pure Unslotted Aloha.
Die beschriebenen Verfahren weisen einige Einschränkungen auf, die ihre Performance und ihre Anwendbarkeit in bestimmten Anwendungsszenarien beeinflussen. Schlitz-basierte Systeme stellen hohe Anforderungen an die verwendete Hardware, so dass Hardware, die nicht über eine hohe Rechenleistung verfügt (z. B. Wireless Sensor Networks) nicht verwendet werden kann. Ferner wird ein hoher Overhead verursacht bspw. durch das Versenden eines Timing-Signals. Ferner führt die Tatsache, dass Nutzer Pakete jeweils nur zu Beginn eines Slots senden können, zu einer Erhöhung der Anzahl der zum Datenverlust führenden Kollisionen, da Dateneinheiten, die gleichzeitig gesendet werden, einander am Empfänger komplett überlappen.The described methods have some limitations that affect their performance and applicability in certain application scenarios. Slot-based systems place high demands on the hardware used, so hardware that does not have high computing power (eg Wireless Sensor Networks) can not be used. Furthermore, a high overhead is caused, for example, by sending a timing signal. Furthermore, the fact that users can only send packets at the beginning of a slot leads to an increase in the number of collisions leading to data loss, since data units that are sent simultaneously completely overlap each other at the receiver.
Die beiden genannten Nachteile werden durch E-CRA überwunden, da hier lediglich eine Frame-basierte Synchronisation benötigt wird und die Tatsache genutzt wird, dass verschiedene Abschnitte von interferenzbehafteten Paketen vorhanden sind und verwendet werden können, um die Performance zu steigern. Jedoch hängt die Möglichkeit einer erfolgreichen Dekodierung von interferenzbehafteten Paketen davon ab, welche Abschnitte dieser Pakete interferenzbehaftet sind, d. h. ob genug von den in der Originalkopie des Datenpakets fehlenden Symbolen aus den weiteren Replikas dieses Datenpakets im Frame wiederhergestellt werden können. Dieser Aspekt ist in
Ein Multi-slot Coded ALOHA System ist aus der folgenden Druckschrift bekannt: BUI, H.-C.; LACAN, J.; BOUCHERET, M.-L.: Multi-slot Coded ALOHA with Irregular Degree Distribution. In. IEEE First AESS European Conference an Satellite Telecommunications, Okt. 2012, S. 1–6 – ISBN 978-1-4673-4687-0.A multi-slot coded ALOHA system is known from the following: BUI, H.-C .; LACAN, J .; BOUCHERET, M.-L .: Multi-slot Coded ALOHA with Irregular Degree Distribution. In. IEEE First AESS European Conference to Satellite Telecommunications, Oct. 2012, pp. 1-6 - ISBN 978-1-4673-4687-0.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Daten bereitzustellen, bei dem mehrere Nutzer gemeinsam einen Übertragungskanal benutzen, wobei der Datendurchsatz erhöht werden kann.It is an object of the invention to provide a method for transmitting data in which a plurality of users share a transmission channel, wherein the data throughput can be increased.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of
Beim erfindungsgemäßen Verfahren verwenden mehrere Nutzer gemeinsam einen Übertragungskanal zu einem Empfänger. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Szenario in der Satellitenkommunikation handeln, bei dem mehrere Nutzer Daten direkt oder indirekt an einen Satelliten senden, der diese an einen Empfänger weiterleitet.In the method according to the invention, several users share a transmission channel with a receiver. This may be, for example, a scenario in satellite communication in which multiple users send data directly or indirectly to a satellite, which forwards it to a receiver.
Erfindungsgemäß ist die Zeitachse in Frames aufgeteilt. Als Zugriffsverfahren auf den gemeinsamen Übertragungskanal wird ein nicht-schlitzbasiertes Random Access Schema verwendet.According to the invention, the time axis is divided into frames. As access method to the common transmission channel, a non-slot-based random access scheme is used.
Erfindungsgemäß sendet ein Nutzer seine Daten unter Verwendung der folgenden Verfahrensschritte:
Zunächst wird ein Gesamt-Codeword aus den zu übertragenden Nutzdaten generiert. Hierzu können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Codes verwendet werden.According to the invention, a user sends his data using the following method steps:
First, an overall code word is generated from the payload data to be transmitted. Various codes known from the prior art can be used for this purpose.
Anschließend wird eine Vielzahl d von codierten Paketen aus dem Gesamt-Codeword generiert. Dies erfolgt durch ein sogenanntes Punktierungsverfahren. Die einzelnen codierten Pakete können sich voneinander unterscheiden. Dem Empfänger ist diese Strategie, mittels der aus dem Gesamt-Codeword die codierten Pakete erzeugt werden, bekannt. Ferner ist ihm der für das Codieren der Pakete verwendete Code bekannt. Die Anzahl d der codierten Pakete, die aus dem Gesamt-Codeword generiert werden, kann als Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellt werden und zwar derart, dass die Performance des Systems bspw. im Hinblick auf den Datendurchsatz optimiert wird. Grundsätzlich ist es möglich, dass jeder Knoten, der auf das gemeinsame Übertragungsmedium zugreift, eine unterschiedliche Anzahl d an codierten Paketen überträgt. Dies bedeutet, dass d sich über die Zeit oder von Knoten zu Knoten ändern kann (ähnlich zum Prinzip von IRSA). Subsequently, a plurality d of coded packets are generated from the overall codeword. This is done by a so-called puncturing method. The individual coded packets may differ from each other. The receiver is aware of this strategy by which the coded packets are generated from the overall codeword. It is also aware of the code used to encode the packets. The number d of the coded packets that are generated from the overall code word can be set as a parameter of the method according to the invention in such a way that the performance of the system is optimized, for example, with regard to the data throughput. In principle, it is possible that each node accessing the common transmission medium transmits a different number d of coded packets. This means that d can change over time or from node to node (similar to the principle of IRSA).
Das Generieren von einer Vielzahl d von codierten Paketen aus dem Gesamt-Codeword ist aus dem Stand der Technik unter dem Begriff ”Puncturing” bekannt. Diese Technik wird im Bereich Kanalcodierung eingesetzt, um ein oder mehr codierte Pakete aus einem Ausgangspaket zu generieren. Die Idee hinter ”Puncturing” besteht darin, zunächst ein großes Codeword mit einer bestimmten Coderate aus den ursprünglichen Informationsbits, die die zu übertragenden Nutzdaten darstellen, zu generieren. Dieses Codeword wird dann ”punktiert”, d. h. einige der codierten Bits werden entfernt, sodass ein oder mehr Pakete mit höheren Coderaten entstehen. Unterschiedliche Strategien können verwendet werden, um das Mutter-Codeword zu punktieren. Solche können bspw. den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- [A] J. Hagenauer, ”Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and Their Applications”; IEEE Trans. Commun., vol. 36, no. 4, pp. 389–400 1988
- [B] Jalil Seifali Harsini, Farshad Lahouti, Marco Levorato, Michele Zorzi: Analysis of Non-Cooperative and Cooperative Type II Hybrid ARQ Protocols with AMC over Correlated Fading Channels. IEEE Transactions on Wireless Communications 10 (3): 877–889 (2011)
- [A] J. Hagenauer, "Rate Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC Codes) and Their Applications"; IEEE Trans. Commun., Vol. 36, no. 4, pp. 389-400, 1988
- Jalil Seifali Harsini, Farshad Lahouti, Marco Levorato, Michele Zorzi: Analysis of Non-Cooperative and Cooperative Type II Hybrid ARQ Protocols with AMC over Correlated Fading Channels. IEEE Transactions on Wireless Communications 10 (3): 877-889 (2011)
Die generierten Pakete können ebenso derart konstruiert werden, dass jedes von ihnen die gesamte Information beinhaltet, sodass bei erfolgreichem Dekodieren eines der Pakete, die gesamten ursprünglichen Nutzdaten wiederhergestellt werden können.The generated packets can also be constructed such that each of them contains all the information so that upon successful decoding of one of the packets, all of the original payload data can be recovered.
Die codierten Pakete werden durch einen Nutzer innerhalb eines Frames über den Übertragungskanal übermittelt. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden nun nicht identische Replikas desselben Datenpakets innerhalb eines Frames übertragen. Vielmehr können sich die einzelnen Pakete untereinander unterscheiden, so dass durch jedes codierte Paket ein größerer oder kleinerer Anteil an redundanten Daten übermittelt wird. Der grundsätzliche Schritt, die codierten Pakete durch einen Nutzer innerhalb eines Frames über den Übertragungskanal zu übermitteln, entspricht dem aus dem Stand der Technik bekannten CRA-Verfahren. Jedes codierte Paket enthält eine Information über die Position der anderen codierten Pakete desselben Nutzers innerhalb des aktuellen Frames.The coded packets are transmitted by a user within a frame over the transmission channel. In contrast to the prior art, non-identical replicas of the same data packet are now transmitted within one frame. Rather, the individual packets may differ from one another, so that a larger or smaller proportion of redundant data is transmitted by each coded packet. The basic step of transmitting the encoded packets by a user within a frame via the transmission channel corresponds to the CRA method known from the prior art. Each coded packet contains information about the position of the other coded packets of the same user within the current frame.
Der Empfänger verarbeitet die empfangen Daten gemäß der folgenden Verfahrensschritte: Der Empfänger versucht die empfangenen codierten Pakete unter Verwendung des ihm bekannten Codes zu dekodieren.The receiver processes the received data according to the following method steps: The receiver attempts to decode the received encoded packets using the code known to it.
Bei erfolgreichem Dekodieren mindestens eines codierten Pakets erfolgt ein Auslesen der Information über die Position der anderen d-1 codierten Pakete desselben Nutzers innerhalb des Frames aus dem erfolgreich dekodierten Paket.Upon successful decoding of at least one encoded packet, the information about the position of the other d-1 encoded packets of the same user within the frame is read from the successfully decoded packet.
Anschließend wird die Symbolfolge in jedem der anderen d-1 codierten Pakete desselben Nutzers innerhalb des Frames rekonstruiert. Dies geschieht unter Verwendung der wiederhergestellten Nutzdaten des dekodierten Pakets, ferner der Strategie mittels der aus dem Gesamt-Codeword die codierten Pakete erzeugt werden (Punktierungs-Strategie) und des für das Codieren der Pakete verwendeten Codes.Subsequently, the symbol sequence in each of the other d-1 encoded packets of the same user is reconstructed within the frame. This is done using the recovered payload of the decoded packet, the strategy by which the encoded packets are generated from the overall codeword (puncturing strategy) and the code used to encode the packets.
Anschließend erfolgt ein Entfernen der durch die d codierten in Paketen anderer Nutzer verursachten Interferenz unter Verwendung eines Successive Interference Cancellation Verfahrens.Subsequently, the interference coded by the d coded in packets of other users is removed using a successive interference cancellation method.
Da es erfindungsgemäß nicht notwendig ist, dass jedes codierte Paket die gesamten Nutzdaten enthält, kann es vorkommen, dass eines der kodierten Pakete erfolgreich dekodiert wird und dennoch nicht die gesamten Nutzdaten erhalten werden können. In diesem Fall können weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden, um unter Hinzuziehung der Informationen weiterer codierter Pakete die Nutzdaten erfolgreich wiederherzustellen. Solche Verfahrensschritte werden im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung näher beschrieben.Since it is not necessary according to the invention that each encoded packet contains the entire user data, it may happen that one of the encoded packets is successfully decoded and nevertheless not the entire user data can be obtained. In this case, further method steps can be carried out in order to successfully restore the user data by using the information of further coded packets. Such process steps are described in detail in the further course of the present application.
Sofern die Nutzdaten eines Nutzers nicht wiederhergestellt werden können, weil z. B. die kodierten Pakete dieses Nutzers aufgrund noch nicht entfernter Interferenzen mit anderen Nutzern nicht wiederhergestellt werden konnten oder weil wie oben dargestellt die für diesen Nutzer erfolgreich dekodierten Pakete nicht die gesamten Nutzdaten enthalten, können die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: Es wird versucht eines der codierten Pakete aufzufinden, bei dem die Information über die Position der anderen codierten Pakete dieses Nutzers im aktuellen Frame dekodierbar ist. Bspw. kann hierzu das Paket mit der höchsten SNIR verwendet werden.If the user data of a user can not be restored because z. If, for example, the encoded packets of this user could not be restored because of not yet removed interferences with other users, or because the packets successfully decoded for this user do not contain the entire payload data, the following method steps can be carried out: An attempt is made of one of the encoded packets Find packages containing the information about the position the other coded packets of this user in the current frame is decodable. For example. For this, the package with the highest SNIR can be used.
Anschließend wird ein Joint Decoding Schritt durchgeführt, bei dem die Daten aller codierten Pakete dieses Nutzers im aktuellen Frame verwendet werden, um die Nutzdaten dieses Nutzers wieder herzustellen. Hierbei wird erneut die vom Sender verwendete Strategie zum Erzeugen der codierten Pakete aus dem Gesamt-Codeword berücksichtigt. Ferner werden die dem Empfänger bekannten Codierprozeduren des verwendeten Codes zur Erzeugung des Gesamt-Codewords berücksichtigt. Bei erfolgreichem Joint Decoding stehen die Nutzdaten des betreffenden Nutzers zur Verfügung.Subsequently, a joint decoding step is performed, in which the data of all encoded packets of this user are used in the current frame to restore the user data of this user. Again, the strategy used by the transmitter to generate the encoded packets from the overall codeword is considered. Furthermore, the encoding procedures known to the receiver of the code used to generate the overall code word are taken into account. With successful joint decoding, the user data of the respective user is available.
Sofern der Joint Decoding Schritt erfolgreich war, werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
Die Symbolfolge in allen d codierten Paketen des betreffenden Nutzers im aktuellen Frame wird ausgehend von den dekodierten Nutzdaten rekonstruiert. Hierbei wird erneut die vom Sender verwendete Strategie zum Erzeugen der codierten Pakete aus dem Gesamt-Codeword und ferner der verwendete Code zum Erzeugen des Gesamt-Codewords berücksichtigt.If the joint decoding step was successful, the following process steps are performed:
The symbol sequence in all d coded packets of the relevant user in the current frame is reconstructed on the basis of the decoded user data. Again, the strategy used by the transmitter to generate the coded packets from the overall codeword and, further, the code used to generate the overall codeword is taken into account.
Anschließend wird gemäß dem letzten Verfahrensschritt, der bereits oben beschrieben wurde, die durch die d codierten Pakete in Paketen anderer Nutzer verursachte Interferenz unter Verwendung eines Successive Interference Cancellation Verfahrens entfernt.Subsequently, according to the last method step already described above, the interference caused by the d coded packets in packets of other users is removed using a Successive Interference Cancellation method.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik und insbesondere gegenüber dem E-CRA Verfahren die folgenden Vorteile:
Zunächst zwingt der beschriebene Joint Decoding Schritt den Empfänger nicht dazu, die Nutzdaten ausgehend von verschiedenen identischen Replikas einer Dateneinheit wieder herzustellen. Dies vereinfacht die Dekodierprozeduren, weil bspw. vermieden wird, dass die einzelnen Replikas symbolweise untersucht werden müssen, um das jeweilige Interferenzlevel herauszufinden und um zu entscheiden, welche Replikas zum Dekodieren verwendet werden sollen. Im Gegenteil können im vorliegenden Verfahren alle übertragenen codierten Pakete für das Dekodieren herangezogen werden, da jedes ihrer Symbole relevante Informationen (und nicht duplizierte Informationen) enthält.The method according to the invention offers the following advantages over the prior art and in particular over the E-CRA method:
First, the described joint decoding step does not force the receiver to reestablish the payload from different identical replicas of a data unit. This simplifies the decoding procedures because, for example, it is avoided that the individual replicas have to be examined symbol by symbol in order to find out the respective interference level and to decide which replicas are to be used for decoding. On the contrary, in the present method all transmitted coded packets can be used for decoding since each of their symbols contains relevant information (and non-duplicated information).
Ferner kann durch eine intelligente Auswahl des verwendeten Kodierungsverfahrens gewährleistet werden, dass eine Wiederherstellung der Nutzdaten auch dann möglich ist, wenn der gleiche oder ein ähnlicher Abschnitt von Bits in verschiedenen kodierten Paketen eines Nutzers durch Interferenzen beeinflusst wird (wie es bspw. in
Vorteile gegenüber schlitzbasierten Verfahren wie z. B CRDSA ergeben sich in folgender Art und Weise: Zunächst werden wesentlich weniger Anforderungen bezüglich der Synchronisation unter den einzelnen Nutzern gestellt. Es ist somit nicht mehr ein derart genaues Timing erforderlich. Außerdem werden partielle Interferenzen zwischen Datenpaketen erlaubt. Ferner erlaubt die Verwendung von intelligenten Kodierungsverfahren, Datenpakete mit unterschiedlicher Länge zu versenden.Advantages compared to slot-based methods such. B CRDSA arise in the following way: First of all, much less synchronization requirements are imposed on individual users. It is therefore no longer required such a precise timing. In addition, partial interference between data packets is allowed. Furthermore, the use of intelligent coding techniques allows data packets of different lengths to be sent.
Bevorzugt ist es möglich, dass jedes der d codierten Pakete die gesamten Nutzdaten und insbesondere Paritätsdaten enthält.Preferably, it is possible for each of the d-coded packets to contain all the payload data and in particular parity data.
Alternativ ist es möglich, dass mindestens eines der d codierten Pakete die gesamten Nutzdaten und insbesondere Paritätsdaten enthält, wohingegen die übrigen codierten Pakete nicht die gesamten oder sogar gar keine Nutzdaten enthalten. Durch diese Pakete kann somit die Redundanz erhöht werden, während die durch diese Pakete verursachte Interferenz aufgrund ihrer kürzeren Länge geringer ist. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt ein Joint Decoding Verfahren verwendet. Es ist bevorzugt, dass jedes der Pakete einen Pointer in seinem Header enthält, der auf die anderen d-1 codierten Pakete verweist. Es ist somit ausreichend einen der Header zu decodieren, um zu erfahren, an welcher Stelle sich die anderen d-1 codierten Pakete befinden und anschließend mit dem Joint Decoding zu beginnen.Alternatively, it is possible for at least one of the d coded packets to contain the entire payload data, and in particular parity data, whereas the remaining coded packets do not contain all or even no payload data. These packets can thus increase the redundancy, while the interference caused by these packets is less due to their shorter length. In this embodiment, a joint decoding method is preferably used. It is preferred that each of the packets contain a pointer in its header that references the other d-1 encoded packets. It is thus sufficient to decode one of the headers to find out where the other d-1 encoded packets are and then to begin joint decoding.
Es ist bevorzugt, dass zum Generieren des Gesamt-Codewords ein ratenloser Code, ein LDPC Code, ein Turbo-Code oder ein Konvolutionscode verwendet wird. Die Verwendung von anderen geeigneten Codes ist ebenfalls möglich.It is preferred that a non-clutter code, LDPC code, turbo code, or convolution code be used to generate the overall code word. The use of other suitable codes is also possible.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Header der codierten Pakete separat und mit einer niedrigeren Coderate codiert ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Position der anderen codierten Pakete dieses Nutzers im aktuellen Frame erfolgreich dekodiert werden kann.Furthermore, it is preferable that the header of the coded packets is coded separately and at a lower code rate. This can ensure that the position of the other encoded packets of this user in the current frame can be successfully decoded.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.In the following, preferred embodiments of the invention will be explained with reference to figures.
Es zeigen:Show it:
Die
In
Der Empfänger kann die Nutzdaten des Nutzers A aus dem codierten Paket A1 dekodieren und die durch diese Pakete verursachte Interferenz aus anderen Datenpaketen entfernen. Anschließend werden die zwei codierten Pakete des Nutzers C im Rahmen eines Joint Decoding Schritts zusammen dekodiert. Die hier vorhandenen interferenzfreien Abschnitte sind ausreichend, um die Nutzdaten zu erhalten. Anschließend kann die durch die Pakete des Nutzers C verursachte Interferenz in den Paketen des Nutzers B entfernt werden, so dass diese Pakete ebenfalls dekodiert werden können.The receiver may decode user A's payload data from coded packet A1 and remove the interference caused by these packets from other data packets. Subsequently, the two encoded packets of the user C are decoded together as part of a joint decoding step. The interference-free sections present here are sufficient to obtain the payload. Subsequently, the interference caused by the packets of the user C in the packets of the user B can be removed, so that these packets can also be decoded.
In
Alle Sender-Empfänger Links weisen ein SNR von 6 dB auf. Fading oder Kanalauslöschungen wurden nicht berücksichtigt.All transmitter-receiver links have an SNR of 6 dB. Fading or channel cancellations were not considered.
Drei nicht schlitzbasierte Aloha-basierte Random Access Verfahren wurden verglichen, nämlich CRA gemäß der oben genannten Veröffentlichung [4], E-CRA gemäß der Veröffentlichung [5] und das erfindungsgemäße Verfahren. Wenn im CRA Verfahren Pakete nach Ic Iterationen nicht wiederhergestellt werden können, werden sie verworfen. Beim E-CRA Verfahren werden in diesem Fall neue Versionen des Datenpakets zusammengesetzt unter Verwendung der besten Version eines Datenpakets, die im Hinblick auf die SINR zwischen Replikas vorhanden ist. Anschließend wird versucht, das rekonstruierte Paket zu dekodieren.Three non-slot-based Aloha-based random access methods were compared, namely CRA according to the above-mentioned publication [4], E-CRA according to the publication [5] and the method according to the invention. If packets can not be restored after I c iterations in the CRA method, they are discarded. In the E-CRA method, in this case, new versions of the data packet are assembled using the best version of a data packet that exists between replicas with respect to the SINR. Subsequently, an attempt is made to decode the reconstructed packet.
Die Cross-Interferenz zwischen den Paketen ist auf Symbollevel berechnet und eine Dateneinheit wird als erfolgreich decodiert markiert, sobald die Anzahl der verfügbaren Informationsbits unter Berücksichtigung der Shannon-Kapazität in verschiedenen Abschnitten des Original-Codewords die Länge der Nutzdaten L übersteigt. Im Fall von CRA und E-CRA gilt dies für jede der verfügbaren und identischen Replikas, d. h. es wird angenommen, dass vor der Übertragung auf die Nutzdaten ein Kanalcode angewandt wurde. Dagegen können im erfindungsgemäßen Verfahren alle d Replikas einer Dateneinheit zusammen für das Dekodieren berücksichtigt werden. Dieser Ansatz entspricht einer großen Klasse von Codes z. B. LDPC oder Turbo-Codes, so dass die zu erwartende Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Codes entsprechend abgeleitet werden kann.The cross-interference between the packets is calculated at symbol level and a data unit is marked successfully decoded as soon as the number of available information bits, taking into account the Shannon capacity in different portions of the original code word, exceeds the length of the payload data L. In the case of CRA and E-CRA, this applies to each of the available and identical replicas; H. it is assumed that a channel code was applied before transfer to the payload. In contrast, in the method according to the invention, all the d replicas of a data unit can be considered together for the decoding. This approach corresponds to a large class of codes z. B. LDPC or turbo codes, so that the expected performance of the code according to the invention can be derived accordingly.
In
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt einen Betrieb des Systems unter höheren Kanallasten, so dass mehr Nutzer dem gemeinsamen Übertragungskanal zugeordnet werden können, während nach wie vor die Durchsatzkurve linear ansteigt.The application of the method of the invention allows operation of the system under higher channel loads, so that more users can be assigned to the common transmission channel, while the throughput curve continues to increase linearly.
Die vorgestellte Erfindung kann in terrestrischen Anwendungen verwendet werden wie z. B. W-LAN, Wireless Sensor Networks, ferner in Satellitensystemen oder in Verfahren zum Datenaustausch in der Raumfahrt. Grundsätzlich ist eine Anwendung in jedem Szenario denkbar, in dem mehrere Nutzer über Random Access Verfahren auf einen gemeinsamen Übertragungskanal zugreifen. Besonders interessant ist das erfindungsgemäße Verfahren für Anwendungen, in denen wenige oder kleine Datenpakete durch eine große Anzahl von Nutzern übertragen werden sollen und eine Verringerung des Overhead und eine geringe Komplexität hinsichtlich der Zeitsynchronisation verlangt wird.The presented invention can be used in terrestrial applications such. W-LAN, Wireless Sensor Networks, satellite systems, or space exchange procedures. In principle, an application is conceivable in every scenario in which several users access a common transmission channel via random access methods. The method according to the invention is of particular interest for applications in which few or small data packets are to be transmitted by a large number of users and a reduction of the overhead and a low complexity with respect to the time synchronization is required.
Claims (6)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114124298A (en) * | 2021-11-04 | 2022-03-01 | 北京航空航天大学 | Wireless random access and transmission method based on time slot Aloha and network coding |
Citations (1)
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DE102011011397B3 (en) * | 2011-02-17 | 2012-06-28 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method for transmitting data in e.g. satellite communication, involves repeating transmitting, decoding and removing steps until data packets are decoded, maximum number at iteration steps are reached or replica is not successful decoded |
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- 2013-08-09 DE DE201310215829 patent/DE102013215829B3/en active Active
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DE102011011397B3 (en) * | 2011-02-17 | 2012-06-28 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method for transmitting data in e.g. satellite communication, involves repeating transmitting, decoding and removing steps until data packets are decoded, maximum number at iteration steps are reached or replica is not successful decoded |
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BUI, H.-C.; LACAN, J.; BOUCHERET, M.-L.: Multi-slot Coded ALOHA with Irregular Degree Distribution. In: IEEE First AESS European Conference on Satellite Telecommunications, Okt. 2012, S. 1-6. - ISBN 978-1-4673-4687-0 * |
BUI, H.-C.; LACAN, J.; BOUCHERET, M.-L.: Multi-slot Coded ALOHA with Irregular Degree Distribution. In: IEEE First AESS European Conference on Satellite Telecommunications, Okt. 2012, S. 1-6. – ISBN 978-1-4673-4687-0 |
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CN114124298B (en) * | 2021-11-04 | 2023-07-25 | 北京航空航天大学 | Wireless random access and transmission method based on time slot Aloha and network coding |
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