-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird.
-
Ein derartiges Szenario wird als Multiple Access (MAC) Szenario beschrieben, wobei der gemeinsame Zugriff der einzelnen Sender auf den Übertragungskanal durch ein Random Access Verfahren geregelt sein kann. Derartige Verfahren finden Anwendung im Bereich car-to-car Communication, Unterwasser-Sensor Netzwerken, in der Sattelitenkommunikation, wenn mehrere Nutzer Terminals einen gemeinsamen Übertragungskanal nutzen, im Datenaustausch in der Luftfahrt etc.
-
Informationen zu aus dem Stand der Technik bekannten Random Access Verfahren können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- (1) N. Abramson, ”The ALOHA system – another alternative for computer communications,” in Proc. of 1970 Fall Joint Computer Conf., vol. 37, S. 281–285, AFIPS Press, 1970.
- (2) G. Choudhury and 5. Rappaport, ”Diversity ALOHA – a random access scheme for satellite communications,” IEEE Trans. Commun., vol. 31, S. 450–457, Mar. 1983.
- (3) 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, S. 1408–1419, Apr. 2007
- (4) 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, S. 331–336, 9–11 Sept. 2009
- (5) Liva, G.; ”Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA,” Communications, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, S. 477–487, Februar 2011
- (6) Kissling, C.; ”Performance enhancements for asynchronous random access protocols over Satellite”, IEEE International Conference on Communications (ICC), Kyoto, Jun. 2011.
- (7) Clazzer, F. and Kissling, C.; ”Enhanced Contention Resolution Aloha – ECRA”, 9 International ITG Conference on Systems, Communications and Coding (SCC), München, Jan. 2013.
- (8) Clazzer, F. and Kissling, C.; ”Optimum Header Positioning in Successive Interference Cancellation (SIC) based Aloha”, IEEE International Conference on Communications (ICC), Budapest, Jun. 2013.
- (9) D. Tse and P. Viswanath, ”Fundamental of Wireless Communication”, Cambridge University Press, 2005
- (10) ETSI EN 301 545-2 ”Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB Interactive Satellite System (DVB-RCS2)”. V1.1.1 (2012-01)
-
Random Access Protokolle sind besonders geeignet für alle Szenarios, in denen die auftretende Verkehrslast nicht vorausgesagt werden kann und daher zufällig auftritt oder in denen eilige Daten übertragen werden müssen und ein Demand Assignment Multiple Access (DAMA) ein Delay und einen Signalisierungs-Overhead verursachen würde. Die ursprüngliche Idee des Aloha-Protokolls wurde 1970 in Veröffentlichung (1) beschrieben.
-
In den letzen Jahren wurden Contention Resolution Diversity Slotted Aloha (CRDSA) (3) und Contention Resolution Aloha (CRA) (6) als Weiterentwicklung von Slotted Aloha und Aloha vorgeschlagen. CRDSA ist eine Weiterentwicklung des Slotted Aloha Verfahrens und insbesondere von Diversity Slotted Aloha (DSA) (2). CRDSA übernimmt von DSA die Idee mehr als ein Paket pro User in jedem Frame zu senden. Das ursprüngliche CRDSA Protokoll generiert zwei Replikas desselben Paktes an zufälligen Zeiten innerhalb des Frames anstelle lediglich eines Paketes in Slotted Aloha. Bei CRDSA werden zusätzlich zum DSA Verfahren Kollisionen unter Verwendung eines Successive Interference Cancellation Verfahrens beseitigt. 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 Interferenzen entfernt, werden möglicherweise Kopien von anderen Paketen von Interferenzen befreit. Diese Kopien werden dann decodiert und die Interferenz an anderen Paketen wird wiederum abgezogen, usw., bis alle Pakete decodiert werden.
-
Verglichen zu Slotted Aloha bietet CRDSA eine verbesserte Packet Error Rate (PER) und einen wesentlich höheren Datendurchsatz (0,55 Pakete pro Slot, verglichen zu 0,36 bei Slotted Aloha).
-
Beim CRA Protokoll werden ähnlich zu CRDSA SIC-Techniken verwendet, jedoch in einem Aloha-ähnlichen MAC Protokoll. Im Gegensatz zu den schlitzbasierten Verfahren sind hier keine Schlitze im Frame vorhanden und somit können die Nutzer ihre Replikas ohne irgendwelche Einschränkungen innerhalb des Frames platzieren. Die einzige Einschränkung ist, dass die Replikas eines Nutzers nicht untereinander zu Kollisionen führen dürfen. Das Weglassen der Slots resultiert in signifikanten Vorteilen, wie beispielsweise niedrigeren Anforderungen hinsichtlich der Synchronisation zwischen den Nutzern und der Möglichkeit die Paketlänge zu variieren, ohne, dass ein Padding Overhead aufritt. Ferner sind Forward Error Correction (FEC) Techniken in CRA im Gegensatz zu CRDSA von größerem Vorteil, weil partielle Interferenzen zwischen Datenpaketen nicht lediglich möglich, sondern auch wahrscheinlicher als eine komplette Interferenz (das heißt eine vollständige Überlappung zweier Datenpakete) sind.
-
Das Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) Protokoll ist eine Optimierung von CRDSA, die auf einem bipartiten Graph basiert und ist in der Veröffentlichung (5) beschrieben. Die Anzahl der Replikate, die jeder Nutzer innerhalb eines Frames sendet, ist nicht festgelegt, sondern wird anhand einer Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt, um den Durchsatz zu erhöhen. In der genannten Veröffentlichung wurde gezeigt, dass die Verteilung der Anzahl der Datenpakete derart optimiert werden kann, dass entweder der Durchsatz maximiert, oder die Packet Error Rate minimiert werden kann.
-
Das ECRA Verfahren ist in den Veröffentlichungen (7) und (8) beschrieben.
-
Die zwei wichtigsten Messgrößen für die Untersuchung von RA MAC Protokollen sind die Paketfehlerrate (Packet Error Rate, PER) und der Datendurchsatz (Throughput, T). Beides sind Größen die von der vorhandenen Kanallast G abhängen. Die Kanallast G ist die Auslastung des MAC Kanals, während die Packet Error Rate das Verhältnis zwischen verloren gegangenen Paketen zu der Gesamtzahl der gesendeten Pakete ist. Die Pakete können hauptsächlich auf Grund von Kollisionen verloren gehen, aber auch auf Grund von Einflüssen des Übertragungskanals.
-
Der Datendurchsatz wird unter Verwendung der Größen G für die Kanallast und der Packet Error Rate definiert als das Verhältnis von erfolgreich decodierten Paketen gegenüber der Gesamtanzahl der gesendeten Pakete, multipliziert mit der Kanallast: T = (1 – PER) × G.
-
DE 10 2012 219 468 B3 beschreibt ein Verfahren zur Übertragung von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird. Daten gehen durch Interferenzen verloren, wenn mehrere Sender Daten zum gleichen Zeitpunkt auf dem Übertragungskanal senden und somit eine Kollision von mindestens zwei Datenpaketen auf dem Übertragungskanal vorliegt. Verlorengegangene Daten werden durch Verwendung eines Interferenz Cancellation Verfahrens wiederhergestellt. Teilweise interferenzbehaftete Replikas werden iterativ kombiniert, so dass sich in Summe ein neues Datenpaket ergibt. Hierbei werden die Teile der teilweise interferenzbehafteten Replikas in zufälliger Weise miteinander kombiniert, ohne zu wissen, ob hieraus ein dekodierbares neues Datenpaket entsteht oder nicht. Anschließend wird versucht, dieses Datenpaket zu dekodieren. Bei einer erfolgreichen Dekodierung war das Zusammensetzen des neuen Datenpakets aus interferenzfreien Teilen mehrerer Replikas erfolgreich, da in diesem Fall davon ausgegangen werden kann, dass alle verwendeten Datenteile dieser Replikas nicht interferenzbehaftet waren. Vor dem Zusammensetzen eines neuen Datenpakets werden erfolgreich dekodierte Replikas aus einem Frame entfernt. Hierbei wird ein Successive Interference Cancellation Verfahren verwendet.
-
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Übertragen von Daten bereitzustellen, durch das ein erhöhter Datendurchsatz erreicht werden kann.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal von mehreren Sendern zu einem Empfänger gesendet. Hierbei gehen Daten durch Interferenzen verloren, wenn mehrere Sender Daten zum gleichen Zeitpunkt auf dem Übertragungskanal senden und somit eine Kollision von mindestens zwei Paketen auf dem Übertragungskanal vorliegt. Verlorengegangene Daten werden unter Verwendung eines Interference Cancellation Verfahrens wiederhergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Zunächst werden diejenigen Sektionen eines Pakets identifiziert, das auf dem Übertragungskanal mit mindestens einem weiteren Paket kollidiert ist. Hierbei kann es sich auch um eine teilweise Kollision handeln, was bedeutet, dass bspw. nicht das gesamte Paket interferenzbehaftet sein muss, sondern nur ein Teil dieses Pakets. Dies kann insbesondere bei Ausführungsformen der Erfindung relevant sein, in denen ein Übertragungs-Frame nicht in Zeitschlitze aufgeteilt ist. Es wird überprüft, ob in den identifizierten kollisionsbehafteten Sektionen der Informationsgehalt der übertragenen Daten bekannt ist. Dies kann bspw. der Fall sein, wenn die in diesen Sektionen vorhandenen Daten trotz der Interferenzen erfolgreich dekodiert werden konnten. Daten können ferner aufgrund von a-priori Informationen bekannt sein. Bspw. können einige Paketsektionen identisch mit bereits vorher dekodierten Paketen sein. Ggf. kann die Anzahl dieser Sektionen auch Null sein. Dies würde bedeuten, dass in keiner der kollisionsbehafteten Sektionen der Informationsgehalt der übertragenen Daten bekannt ist.
- b) Diese Sektionen mit bekanntem Informationsgehalt werden in einem vom kollisionsbehafteten Paket zu subtrahierenden Subtraktionspaket angeordnet.
- c) Die übrigen Sektionen dieses Subtraktionspakets werden mit zufällig generierten Bits aufgefüllt.
- d) Dieses zufällig generierte Subtraktionspaket wird vom kollisionsbehafteten Paket subtrahiert. Dies findet bevorzugt auf der Ebene der Physical Layer Symbole statt. Dies bedeutet, dass das zu subtrahierende Subtraktionspaket vor seinem Subtrahieren kodiert, verschachtelt und moduliert oder im Falle einer Datenübertragung ohne Kodieren nur moduliert wird.
- e) Schließlich wird versucht, die übrig gebliebene Wellenform, von der das Subtraktionspaket subtrahiert wurde, zu dekodieren, sodass das kollisionsbehaftete Paket wiederhergestellt wird.
-
Die Verfahrensschritte c) bis e) werden hierbei als Blind Random Interference Cancellation bezeichnet. Sofern gemäß Verfahrensschritt a) kollisionsbehaftete Sektionen eines Pakets identifiziert wurden, deren Informationsgehalt bekannt ist, können die genannten Verfahrensschritte als partielles Blind Random Interference Cancellation bezeichnet werden.
-
Wie im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung gezeigt wird, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen erhöhten Datendurchsatz bei identischen Kanalbedingungen.
-
Es ist bevorzugt, dass für den Fall, dass das kollisionsbehaftete Paket lediglich mit einem weiteren Paket kollidiert ist, dieses weitere Paket bei erfolgreichem Dekodieren des kollisionsbehafteten Pakets ebenfalls dekodiert wird.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die genannten Verfahrensschritte c) bis e) iterativ wiederholt werden, bis das Dekodieren erfolgreich war. Die Anzahl der iterativen Wiederholungen kann bspw. in Abhängigkeit von den Datenraten des Systems und der Geschwindigkeit des Decoders gewählt werden. Bspw. können bei einer sequentiellen Architektur zehn Iterationen durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass ein erstes Paket generiert wird, woraufhin die Prozedur durchgeführt wird. Wenn dies nicht erfolgreich ist, wird ein zweites Paket generiert etc.
-
Weiterhin kann das Generieren von zufälligen Bits, um die Sektionen des Subtraktionspakets aufzufüllen, auch durch eine Parallelarchitektur erfolgen. In diesem Fall ist es möglich in einer Iteration D-Versionen der Pakete zu generieren (wobei D die Anzahl der verwendeten parallelen Prozessorkerne ist). Bei einer sequentiellen Architektur ist es auch möglich bspw. fünf Iterationen oder zwanzig Iterationen durchzuführen.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 den Datendurchsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik,
-
2 die Paket Error Rate des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand eines konkreten Beispiels verdeutlicht. Es ist zu beachten, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf das vorgestellte Beispiel beschränkt ist, sondern in einer Vielzahl von Random Access Verfahren einschließlich anderer MAC (Medium Access Control) Protokolle anwendbar ist.
-
Das im Folgenden beschriebene Verfahren verwendet das CRDSA-MAC-Protokoll. Jeder Frame ist zusammengesetzt aus Ns = 100 Schlitzen. Eine Anzahl Nu von Benutzern senden ihre Pakete auf dem Übertragungskanal und erzeugen damit Datenverkehr. Nu ist eine Poisson-verteilte-Zufallsvariable deren Mittel G × Ns ist. Jedes Physical Layer Paket nimmt genau einen Schlitz ein, wird zweimal pro Frame repliziert und an zufälligen Positionen innerhalb des Frames übermittelt. Zunächst wird ein Maximum von Imax gleich 10 Wiederholungen eines Successive Interference Cancellation Schritts angewendet (entsprechend der Ursprungsform des genannten Protokolls). Das hier verwendete SIC-Verfahren nimmt an, dass nur korrekt dekodierte Pakete für Interference Cancellation verwendet werden können. Ferner nimmt die genannte CRDSA-Simulation eine Coderate von R = 1 und eine empfängerseitige SNR von 10 dB an.
-
Zunächst wird ein Frame durch eine bekannte SIC-Prozedur bereinigt. Anschließend wird das erfindungsgemäße Random Interference Cancellation Verfahren gemäß den genannten Verfahrensschritten verwendet. Wenn in einem Schlitz eine Kollision zwischen zwei Paketen detektiert wird, wird ein zufällig generiertes Paket von diesem Schlitz subtrahiert. Anschließend wird ein erneutes Dekodieren versucht. Wenn dieses Dekodieren erfolgreich war, werden das Paket und seine Replika aus dem Frame entfernt. Vorliegend wurde das erfindungsgemäße Blind Random Interference Cancellation Verfahren nur auf solche Schlitze angewendet, in denen zwei kollidierende Pakete vorhanden sind. Dies bedeutet, dass sobald eines dieser Pakete dekodiert werden kann, auch das zweite in die Kollision involvierte Paket dekodiert werden kann. Somit kann auch dieses zweite Paket zusammen mit seiner Replika vom Frame entfernt werden.
-
Das erfindungsgemäße Blind Random Interference Cancellation Verfahren wird auf alle Schlitze angewendet, in denen eine Kollision zwischen zwei Paketen stattgefunden hat. Grundsätzlich ist es auch möglich, das genannte Verfahren auch bei Schlitzen anzuwenden, in denen mehr als zwei Pakete kollidiert sind. Weiterhin ist es möglich, die Anzahl der Blind Random Interference Cancellation Iterationsschritte in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung zu begrenzen. Je mehr Iterationen hierbei erlaubt werden, desto mehr Zeit werden die beschriebene Detektion und das Dekodierverfahren beanspruchen.
-
In 1 ist der Datendurchsatz in Abhängigkeit von verschiedenen Kanallasten dargestellt.
-
Es ist sichtbar, dass bei niedrigen bis mittleren Kanallasten G (bis zu G = 0,4) die beiden dargestellten Protokolle die gleiche Leistung zeigen. Für alle höheren Kanallasten bietet das CRDSA-Verfahren in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Blind Random Interference Cancellation Verfahren eine bessere Leistung. Der Maximadurchsatz von 0,68 wird bei G = 0,85 erreicht. Das CRDSA-Verfahren gemäß dem Stand der Technik erreicht lediglich einen maximalen Datendurchsatz von 0,52 bei G = 0,65. Der maximale Datendurchsatz konnte somit um 31% durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessert werden.
-
In 2 ist die Paket Error Rate in Abhängigkeit von der Kanallast dargestellt. Hier ist sichtbar, dass die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Paket Error Rate immer niedriger als beim Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist. Bis G = 0,5 existiert ist hier ein sehr deutlicher Unterschied verglichen zum Stand der Technik. Ferner können für niedrige Kanallasten Paket Error Rates von unter 10–3 erreicht werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei anderen Datenübertragungsprotokollen außer Random Access Verfahren angewendet werden.
