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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten.
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Bei einem solchen Verfahren übertragen mehrere Nutzer Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal an mindestens einen Empfänger. Der Zugriff der Nutzer auf den gemeinsamen Übertragungskanal erfolgt unter Verwendung eines Random Access-Verfahrens. Ein derartiges Szenario existiert z.B. in der Satellitenübertragung, wenn mehrere Nutzer (nämlich Satellitenterminals) versuchen, Daten an einen Empfänger, nämlich ein Satellitengateway zu übermitteln. Es wird angenommen, dass die Nutzer in unkoordinierter Weise auf den gemeinsamen Übertragungskanal zugreifen. Dies bedeutet, dass die Übertragungen der Datenpakete zu zufälligen Zeitpunkten stattfinden.
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Datenpakete, die von verschiedenen Nutzern zur gleichen Zeit und mit der gleichen Frequenz gesendet werden, verursachen auf dem Übertragungskanal Kollisionen, sodass diese Datenpakete mit Interferenzen behaftet beim Empfänger ankommen. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Methode, um kollisionsbehaftete Datenpakete dennoch übertragen zu können, ist Automatic Repeat Request (ARQ). Dieses Verfahren ist z.B. beschrieben in [D. Bertsekas, R. Gallager, „Data Networks“, Prentice Hall, 1992.].
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In einem derartigen Radom Access Kanal können somit Kollisionen zwischen den einzelnen Nutzern auftreten. Aufgrund dieser Kollision gehen Datenpakete verloren. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogenannte Sucessive Interference Cancellation Algorithmen (SIC) zu verwenden, um kollidierte Pakete wiederherzustellen. Um dies zu erreichen, werden Replikas eines Datenpakets innerhalb eines logischen Frames übermittelt. Jedes Paket enthält einen Pointer, in dem die Position seiner Replikas im Frame gekennzeichnet sind. Bei erfolgreichem Empfang einer der Replikas kann die durch die anderen Replikas verursachte Interferenz nach dem Decodieren aus dem Frame entfernt werden. Hiernach kann versucht werden, die von ihren Interferenzen befreiten anderen Pakete zu decodieren. Diese iterative Decodierprozedur wird fortgeführt.
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Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- (1) N. Abramson, „The ALOHA system - another alternative for computer communication", in Proc. of 1970 Fall Joint Computer Conf., Bd. 37, S. 281-285, AFIPS Press, 1970.
- (2) G. Choudhury and S. Rappaport, „Diversity ALOHA - a random access scheme for satellite communications", IEEE Trans. Commun., Bd. 31, S. 450-457, März 1983.
- (3) E. Casini, R. De Gaudenzi and O. del Rio Herrero, „Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CDRA): an enhanced random access scheme for satellite access networks", IEEE Trans. Commun., Bd. 6, Nr. 4, S. 1408-1419, April 2007.
- (4) Liva, G., „Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA", Communications, IEEE Transactions on, Bd. 59, Nr. 2, S. 477-487, Februar 2011.
- (5) Kissling, C., „Performance enhancements for asynchronous random access protocols over Satellite", IEEE International Conference on Communication (ICC), Kyoto, Juni 2011.
- (6) Clazzer, F. and Kissling C., „Enhanced Contention Resolution Aloha - ECRA", 9th International ITG Conference on Systems, Communications and Coding (SCC), München, Januar 2013.
- (7) Clazzer, F. and Kissling, C., „Optimum Header Positioning in Successive Interference Cancellation (SIC) based Aloha", IEEE International Conference on Communications (ICC), Budapest, Juni 2013.
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Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus den folgenden Druckschriften:
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DE 60 2006 000 910 T2 beschreibt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren für eine Paketdatenübertragung über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal, wobei der Zugriff auf den gemeinsamen Übertragungskanal unter Verwendung eines Radom Access Verfahrens stattfindet. Datenpakete können miteinander kollidieren und somit Interferenzen verursachen. Zur Auflösung dieser Kollisionen wird ein CRDSA-Verfahren vorgeschlagen.
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DE 10 2011 011 397 B3 beschreibt ebenfalls ein Datenübertragungsverfahren, bei dem ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird. Interferenzbehaftete Datenpakete können hier ebenfalls durch ein SIC-Verfahren weiterverarbeitet werden.
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Durch den SIC-Prozess wird eine Latenz am Empfänger verursacht. Diese wird umso größer, je höher die Anzahl für das Decodieren erforderlichen Iterationen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten bereitzustellen, durch das eine verringerte Latenz erreicht werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei erfindungsgemäßen Verfahren übertragen mehrere Nutzer Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal an mindestens einen Empfänger. Hierbei kann es sich bspw. um mehrere Satellitenterminals handeln, die über einen gemeinsamen Übertragungskanal Datenpakete an ein Satellitengateway übertragen.
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Der Zugriff der Nutzer auf den gemeinsamen Übertragungskanal erfolgt unter Verwendung eines Random-Access-Verfahrens, d.h. ohne eine Koordination der Nutzer untereinander. Datenpakete, die von verschiedenen Nutzern zur gleichen Zeit und mit der gleichen Frequenz gesendet werden, erzeugen somit auf dem Übertragungskanal Kollisionen, sodass diese Datenpakete mit Interferenzen behaftet beim Empfänger ankommen. Dies kann dazu führen, dass der Empfänger diese Datenpakete nicht mehr dekodieren kann.
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Es wird ein Successive Interference Cancellation - Verfahren verwendet, um interferenzbehaftete Datenpakete von Interferenzen zu befreien. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Verbindung mit jeder Art von Successive Interference Cancellation - Verfahren verwendet werden, beispielsweise CRDSA, CRDSA++, IRSA, CRA, ECRA usw. Das Verfahren kann sowohl bei framebasierten Protokollen als auch bei Protokollen ohne Frames oder ohne eine Einteilung in Schlitze verwendet werden.
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Das erfindungsgemäß Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Iteration des SIC-Prozesses diejenigen Schlitze oder Zeitabschnitte gespeichert werden, in denen es gelungen ist, nach erfolgreichem Decodieren Interferenzen zu entfernen. Bei der ersten Iteration muss es sich nicht notwendigerweise um die absolut erste Iteration des SIC-Prozesses handeln. Als erste Iteration wird vielmehr eine Iteration verstanden, die den in den folgenden Verfahrensschritten beschriebenen nachfolgenden Iterationen vorangeht.
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In einer folgenden Iteration wird ein Iterationsversuch in einem dieser gespeicherten Schlitze oder Zeitabschnitte unternommen.
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Hierdurch kann vermieden werden, dass in den folgenden Iterationen Decodierschritte in Schlitzen oder Zeitabschnitten unternommen werden, die entweder leer sind oder bei denen es bereits bekannt ist, dass hier unauflösbare Kollisionen vorhanden sind, so dass ein Decodieren nicht möglich ist. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, Erkenntnisse aus vorangehenden Iterationen in späteren Iterationen zu verwenden und so die Anzahl der insgesamt benötigten Iterationen für das Decodieren zu verringern.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Protokoll angewendet, das keine Einteilung in Schlitze verwendet, so wird an Stelle eines Schlitzes derjenige Zeitabschnitt gespeichert, in dem es gelungen ist, nach erfolgreichem Dekodieren Interferenzen zu entfernen, das heißt derjenige Zeitabschnitt, in dem das Entfernen der Interferenzen stattgefunden hat. Dieser Zeitabschnitt muss nicht identisch mit der Länge der entfernten Replika sein, sondern kann größer als diese Länge sein.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten SIC-Prozessen wird in der vorliegenden Anmeldung in Zusammenhang mit den vorliegenden Figuren näher dargestellt.
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Es ist bevorzugt, dass in einer folgenden Iteration ein Decodierversuch ausschließlich in einem der gespeicherten Schlitze oder Zeitabschnitte unternommen wird, so dass kein Decodierversuch in einem Schlitz oder Zeitabschnitt unternommen werden muss, bei dem bekannt ist, dass er entweder leer ist oder dass dieser Schlitz oder Zeitabschnitt nicht decodierbar ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass in folgenden Iterationen ebenfalls diejenigen Schlitze oder Zeitabschnitte gespeichert werden, in denen es gelungen ist, nach erfolgreichem Decodieren Interferenzen zu entfernen. Mit jeder Iteration wird somit das Wissen über Schlitze oder Zeitabschnitte, in denen ein erfolgreiches Decodieren nicht möglich ist, größer, so dass in diesen Schlitzen oder Zeitabschnitten keine Decodierversuche mehr unternommen werden müssen. Dieses mit jeder Iteration größer werdende Wissen wird erfindungsgemäß in folgenden Iterationen berücksichtigt.
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Es ist bevorzugt, dass der SIC-Prozess angehalten wird, wenn keine aus einer vorangehenden Iteration gespeicherten Schlitze oder Zeitabschnitte vorhanden sind, in denen in der aktuellen Iteration ein Decodierversuch unternommen werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet besondere Vorteile, wenn zum Decodieren mehrere Prozessoreinheiten vorhanden sind. Dies kann beispielsweise bei Multi-Core-CPU's oder GPU's der Fall sein oder aber bei FPGA-Architekturen oder anderen elektronischen Schaltungen, die parallel ausgelegt sind. In diesem Fall wird der SIC-Prozess wie folgt durchgeführt:
- a) Zunächst wird ein empfangener Frame in N Sektionen aufgeteilt, wobei N der Anzahl der vorhandenen Prozessoreinheiten entspricht.
- b) In einer ersten Iteration des SIC-Prozesses sucht jede Prozessoreinheit in der ihr zugeordneten Sektion nach decodierbaren Paketen.
- c) Die durch die Replika eines decodierten Pakets in anderen Schlitzen oder Zeitabschnitten verursachten Interferenzen werden entfernt, sofern sich diese Schlitze oder Zeitabschnitte in der gleichen Sektion wie das decodierte Paket befinden.
- d) Sofern sich mindestens eine Replika eines decodierten Pakets in einer anderen Sektion wie das decodierte Paket befindet, werden die decodierten Informationsbits, insbesondere einschließlich der geschätzten Physical Layer Parameter, in einem Speicher, der allein Prozessoreinheiten zugänglich ist, gespeichert.
- e) Anschließend werden in diesem Fall die durch die Replika des gemäß Verfahrensschritt d) decodierten Pakets verursachten Interferenzen in der/den anderen Sektion/-en entfernt.
- f) Jede Prozessoreinheit speichert diejenigen Schlitze oder Zeitabschnitte, in denen es gelungen ist, nach erfolgreichen Decodieren Interferenzen zu entfernen.
- g) In einer zweiten Iteration des SIC-Prozesses, die der ersten Iteration nachfolgt, unternimmt jede Prozessoreinheit in der ihr zugeordneten Sektion einen Decodierversuch, insbesondere ausschließlich in den in der vorangegangenen Iteration gespeicherten Schlitzen oder Zeitabschnitten. Diesbezüglich entspricht diese Ausführungsform der Erfindung somit den vorangegangenen grundlegenden Verfahren der Erfindung mit lediglich einer Prozessoreinheit.
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Alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auch bei sogenannten Fading-Kanälen anwendbar, in denen es aufgrund des Capture-Effekts möglich ist, kollisionsbehaftete Pakete mit einer Wahrscheinlichkeit ≠ 0 zu decodieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit nicht lediglich bei solchen Kanälen angewandt werden, in denen eine Kollision in einem Schlitz unbedingt dazu führen muss, dass die in die Kollision involvierten Pakete nicht decodiert werden können (sogenannter Collision-Kanal).
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 und 2 das CRDSA-Verfahren gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Frame dargestellt, der im Rahmen des CRDSA-Verfahrens gemäß dem Stand der Technik empfangen werden kann. Die SIC-Prozedur gemäß dem Stand der Technik beginnt im ersten Schlitz des Frames und prüft zunächst, ob wenigstens ein Paket in diesem Schlitz vorhanden ist. Wenn in dem ersten Schlitz Energie detektiert wurde (das heißt, wenn wenigstens ein Paket in diesem Schlitz gesendet wurde), wird ein Versuch unternommen, dieses Paket zu decodieren. Bei erfolgreichem Decodieren wird dieses Paket entfernt. Gleichzeitig werden alle identischen Replikas dieses Pakets aus diesem Frame entfernt.
Gemäß 1 würde somit der SIC-Prozess im ersten Schlitz starten und feststellen, dass dort mindestens ein Paket gesendet wurde. Allerdings ist im ersten Schlitz ein Decodieren nicht möglich, da eine Kollision vorliegt. Der SIC-Decoder fährt somit mit dem zweiten Schlitz fort. Hier liegt die gleiche Situation vor, da hier ebenfalls aufgrund einer Kollision kein Decodieren möglich ist.
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Da im dritten Schlitz lediglich ein Paket gesendet wurde, ist der Decodierversuch erfolgreich. Das Paket Nummer 1 wird somit aus dem dritten Schlitz entfernt. Gleichzeitig wird seine Replika aus dem ersten Schlitz entfernt. Das Ergebnis ist in 2 dargestellt.
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Der SIC-Prozess unternimmt weitere Decodierversuche in den Schlitzen vier und fünf, die nicht erfolgreich sind. Erst der Decodierversuch im sechsten Schlitz wird erfolgreich sein, da hier keine Kollision vorliegt.
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Nachdem der Frame komplett gescannt wurde (Abschluss der ersten Iteration) startet der SIC-Prozess in der nächsten Iteration erneut im ersten Schlitz und überprüft Schlitz für Schlitz, ob decodierbare Datenpakete vorliegen. Hieraus ergibt sich gemäß dem Stand der Technik eine hohe Anzahl eigentlich sinnloser Decodierversuche.
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Diese werden durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch vermieden, dass in nachfolgenden Iterationen Informationen aus vorangehenden Iterationen verwendet werden. Beispielsweise würde in nachfolgenden Iterationen der erfindungsgemäße SIC-Prozess zunächst (wie im Stand der Technik auch) Paket zwei im ersten Schlitz decodieren und seine Replikas aus dem fünften Schlitz entfernen. Der erfindungsgemäße SIC-Prozess würde jedoch in der direkt folgenden Iteration keinen Decodierversuch in den Schlitzen zwei und vier unternehmen, da aus vorangehenden Iterationen bekannt ist, dass in diesen Schlitzen aufgrund von Interferenzen ein erfolgreiches Decodieren nicht möglich ist. Der erfindungsgemäße SIC-Prozess würde somit in dieser Iteration direkt einen Decodierversuch im fünften Schlitz unternehmen und hier mit dem Decodieren erfolgreich sein. Es können somit zwei nicht notwendige Decodierversuche in dieser Iteration eingespart werden.
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Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu untersuchen, wurden Monte Carlo Simulationen durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen sind in 3 dargestellt. Es wurde ein schlitzbasiertes Random Access Protokoll, nämlich CRDSA verwendet. Ein Frame setzt sich zusammen aus NS=100 Schlitzen, wobei eine Anzahl Nu Nutzer versuchen auf das gemeinsame Übertragungsmedium zuzugreifen. Die Kanallast G repräsentiert die durchschnittliche Anzahl an Paketen pro Zeitschlitz und ergibt sich aus G=Nu:NS. Die maximale Anzahl der Iterationen im SIC-Prozess ist auf 20 festgelegt.
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Alle drei vorgestellten SIC-Verfahren zeigen den gleichen Durchsatz, das heißt die durchschnittliche Anzahl der erfolgreich empfangenen Pakete. 3 zeigt die Anzahl der im SIC-Prozess unternommenen Decodierversuche als eine Funktion der Kanallast G. Die konstant verlaufende Linie entspricht dem einfachsten SIC-Algorithmus, wobei decoderseitig die maximale Anzahl an Iterationen verbunden ist. Dieses Verfahren zeigt eindeutig die schlechteste Leistung und resultiert unabhängig von der Kanallast in einem Wert von 2000 Iterationen.
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Die mittlere Kurve stellt einen SIC-Algorithmus dar, der anhält, wenn erkannt wird, dass in der letzten Iteration kein erfolgreiches Decodieren von Paketen erreicht werden konnte. Hierdurch kann bereits die Anzahl der notwendigen Iterationen signifikant reduziert werden.
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Die unterste Kurve wiederum stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar. Hier werden Decodierversuche nur in den aus vorangegangenen Iterationen gespeicherten Schlitzen unternommen. Wie in 3 erkennbar können hierdurch weitere unnötige Iterationen eingespart werden.
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Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass neben der Anzahl der SIC-Iterationen ein anderer wichtiger Wert für die Leistungsfähigkeit eines Verfahrens der Decodier-Delay ist. Wenn beispielsweise Systeme mit Multiprozessoreinheiten untersucht werden, wird die Anzahl der Iterationen nicht reduziert werden. Allerdings kann ein schnelleres Decodieren aufgrund der Parallelisierung des SIC-Algorithmus erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der terrestrischen Kommunikation (beispielsweise Mobilfunk oder Richtfunk) angewendet werden, ferner in Sensornetzwerken, in der Satellitenkommunikation (in der mehrere Userterminals auf einem gemeinsamen Übertragungskanal senden), ferner in der Raumfahrt für den Datenaustausch als auch in jedem anderen Kommunikationsszenario, in dem Nutzer in unkoordinierter Weise auf einen gemeinsamen Übertragungskanal zugreifen. Besonders interessant ist das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendungen, in denen kleine Datenmengen durch eine große Anzahl von Nutzern übertragen werden müssen und der Overhead und die Komplexität einer Synchronisation unter den Nutzern nicht gewünscht ist.
