DE102015225796B4

DE102015225796B4 - Verfahren zum Übertragen von Daten

Info

Publication number: DE102015225796B4
Application number: DE102015225796.7A
Authority: DE
Inventors: Federico Clazzer; Amina Fellan
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: DE102015225796A1

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird, wobei der Zugriff der Sender auf den gemeinsamen Übertragungskanal durch ein Random Access Verfahren geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frame Synchronisierung, durchgeführt wird, indem der Beginn eines ersten Datenpakets wie folgt ermittelt wird: a) kontinuierliches oder periodisches Überwachen des über den Übertragungskanal übertragenen Signals durch einen Energiedetektor, b) sobald die Energie des übertragenen Signals einen definierten Schwellwert überschreitet, Starten eines Zeitfensters der Länge G, dessen Länge größer ist als die Länge eines Physical Layer Pakets, wobei alle in diesem Zeitfenster empfangenen Datensymbole für die weitere Bearbeitung gespeichert werden, c) Schätzen der Leistung pp1 des ersten Datenpakets unter Verwendung eines ersten Teils des ersten Datenpakets, der als interferenzfrei angenommen wird, insbesondere eines Kanalkoeffizienten, der den Zustand des Übertragungskanals beschreibt, d) Ermitteln der Gesamtleistung pr+i aus Rauschen und Interferenz als die Differenz aus der pro Symbol auf dem Übertragungskanal gemessenen Leistung pK und der Leistung des ersten Datenpakets Pp1 durch pr+i = PK – pp1 e) für alle möglichen G-N Startpositionen des ersten Datenpakets Berechnen der folgenden Maßzahl:mit 0 ≤ μ ≤ G – N – 1. wobei μ die Startposition des ersten Datenpakets ist, ausgedrückt in Datensymbolen beginnend mit dem Start des ausgewählten Zeitfensters, wobei L die Länge des Synchronisierungswortes ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobei N die Gesamtlänge des Pakets ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobeiden reellen Teil des Arguments darstellt, die Gesamtleistung aus pR+I aus Rauschen und Interferenz bezeichnet, rj das an der j-ten Position des Zeitfensters empfangene Symbol ist hx den Kanalkoeffizienten bezeichnet, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, bei dem eine Vielzahl von Sendern Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal an einen gemeinsamen Empfänger senden.
Der Zugriff auf den Übertragungskanal erfolgt durch ein Random Access Verfahren.
Bei der Verwendung von Random Access Verfahren können Kollisionen zwischen den einzelnen Nutzern oder Sendern entstehen. Typischerweise wird angenommen, dass Kollisionen destruktiv sind, was bedeutet, dass keines der kollidierenden Pakete auf der Empfängerseite erfolgreich decodiert werden kann. Neuerliche Entwicklungen in der Signalverarbeitung bieten jedoch die Möglichkeit, auch kollidierende Datenpakete wiederherzustellen. Dies kann zum Beispiel erfolgen, wenn ein ausreichender Unterschied zwischen den empfangenen Leistungen der einzelnen Pakete vorhanden ist, so dass das Paket mit der höheren Leistung unter Ausnutzung des sogenannten ”Capture Effect” decodiert werden kann. Diese Möglichkeit wird umso wichtiger bei Verfahren zur Successive Interference Cancellation (SIC). Im Rahmen eines SIC Verfahrens können auch solche Pakete decodiert werden, die ein besseres ”Signal to Noise and Interference-Verhältnis” aufweisen, ohne das sie komplett interferenzfrei sein müssen. Somit besteht ein hoher Bedarf an Empfängern, die trotz Interferenzen eine gute Leistungsfähigkeit aufweisen. Um kollidierende Pakete besser decodieren zu können, ist die Frame Synchronisation von großer Wichtigkeit.
Frame Synchronisation ist die Identifikation eines übertragenen Pakets im ankommenden Signalstrom am Empfänger. Dies erfolgt üblicherweise nach der Timing-, Frequenz-, und Carrierermittlung und wird dazu verwendet zwischen bloßem Rauschen und Nutzdaten in einem paketbasierten Szenario zu unterscheiden. Wenn stattdessen ein kontinuierlicher Datenstrom, das heißt ein Streeming von Daten, betrachtet wird, wird Frame Synchronisation periodisch durchgeführt, um die Empfängercharakteristik anzupassen und gleichzeitig zwischen zwei verschiedenen Datenblöcken unterscheiden zu können.
Ohne eine Frame Synchronisierung wäre es notwendig, dass der Decoder jedes eingehende Symbol zu decodieren versucht, was bei den heutigen hohen Datenraten nicht realisierbar wäre. Daher ist eine präzise Frame Synchronisierung in einem interferenzbehafteten System sehr wichtig. Eine Frame Synchronisierung erfolgt meistens durch Einfügen einer bekannten Sequenz an Symbolen, die als Synchronisationswort bezeichnet wird. Diese Sequenz wird bei einer kontinuierlichen Datenübertragung periodisch in den Datenstrom eingefügt, oder bei einer paketbasierten Übertragung am Beginn des Pakets eingefügt. Das Synchronisationswort sollte gute Autokorrelierungseigenschaften aufweisen. Insbesondere wenn eine Korrelierung zwischen dem Synchronisationswort und einer längeren Symbolsequenz (die möglicherweise durch Rauschen beeinträchtigt ist), die das Synchronisationswort enthält, durchgeführt wird, sollte ein unterscheidbarer Peak bei der korrekten Startposition des Synchronisationsworts innerhalb der Sequenz auftauchen, verglichen mit Nebenpeaks an anderen Positionen.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft, vergleicht der Empfänger das Synchronisationswort durch Korrelation mit dem empfangenen Datenstrom. Um eine Entscheidung bezüglich des Beginns des bekannten Synchronisationsworts zu treffen, können zwei Ansätze verwendet werden: Bei dem ersten wird das Cross-Correlation-Ergebnis mit einem Schwellwert verglichen. Sobald dieser überschritten ist, wird angenommen, dass die Startposition des Synchronisationsworts gefunden wurde. Im zweiten Ansatz wird die Cross-Correlation über ein gesamtes Suchfenster der Länge W-Symbole berechnet (das heißt über ein Zeitintervall, innerhalb dessen erwartet wird, das Synchronisationswort zu finden). Hierbei wird nicht berücksichtigt, ob ein Schwellwert innerhalb dieses Intervalls überschritten wird. Dann wird der Maximalwert dieser Korrelationsfunktion über das Intervall als der Beginn des Synchronisierungsworts angenommen. Diese Methode wird auch als Maximum-Likelihood-Methode bezeichnet.
1 stellt die Frame Synchronisierung unter Verwendung dieser zwei Ansätze dar. Der zweite Ansatz weist eine bessere Leistungsfähigkeit auf, da die Entscheidung erst getroffen wird, nachdem das gesamte Suchfenster gescannt wurde. Somit können falsch-positive Ergebnisse, die durch Rauschen hervorgerufen werden, vermieden werden.
Die Formationen zum Stand der Technik können folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

[1] J. L. Massey, ”Optimum Frame Synchronization”, IEEE Trans. On Communications, vol. 20, no. 2, pp. 115–119, 1972.
[2] R. Mehlan and H. Meyr, ”Optimum frame synchronization for asynchronous packet transmission,” in Proc. Of IEEE International Conference on Communications (ICC), 1993.
[3] P. Robertson, ”Optimum frame synchronization of preamble-less packets surrounded by noise with coherent and differentially coherent demodulation,” in Proc. Of IEEE International Conference on Communications (ICC), 1994.
[4] D. Shen, W. Zhang, D. P. Reed, and A. B. Lippman, ”On frame synchronization for multiple access channels,” in Proc. Of IEEE International Conference on Communications Workshops, Dresden, Germany, Jun. 2009, pp. 1–5.

Die Korrelationsmethode hat sich gemäß Veröffentlichung [1] als suboptimal herausgestellt. Dies liegt an zwei Gründen: Bei relativ geringen SNR-Werten (Signal to Noise Ratio) kann Rauschen die Position des Korrelations-Peaks verändern, auch wenn das gesamte Suchfenster gescannt wird. Bei höheren SNR-Werten besteht immer noch die Möglichkeit, dass die Sequenz des Synchronisationsworts durch eine Sequenz von zufälligen Symbolen aus den Nutzdaten des Pakets reproduziert wird. Hierdurch wird unabhängig vom Rauschen eine falsche Entscheidung hervorgerufen. Der Autor von [1] hat die optimale Entscheidungsregel für eine Frame Synchronisierung in interferenzfreien Systemen (das heißt Kanälen, auf denen nur ein einziger Nutzer sendet) für eine kontinuierliche Datenübertragung unter Verwendung von Binary Phase Shift Keying (BPSK) hergeleitet. Er hat ihre Leistungsfähigkeit mit der einfachen Korrelationsregel verglichen und hat einen Anstieg von 3 dB festgestellt. Für paketbasierte Kommunikationssysteme wurde in Druckschrift [2] die optimale Regel für eine asynchrone Übertragung hergeleitet, wobei angenommen wurden, dass das Synchronisationswort durch eine sogenannte ”Ramp-Up”-Sequenz eingeleitet wird, die auch dem Empfänger bekannt ist. Diese einleitende Sequenz wird als Präambel bezeichnet. Das Vorhandensein dieser Präambel ist für den Fall notwendig, dass der Empfänger die eingehenden Signale nicht für eine spätere Verarbeitung speichert, sondern stattdessen direkt online die ankommenden Signale verarbeitet. Falls in dieser Situation ein Paket mit dem Synchronisationswort beginnt, besteht ein hohes Risiko, dass die Korrelation sehr schwache Ergebnisse liefern wird, da die Parameter Zeit, Frequenz und Carrier noch nicht ermittelt wurden.
Die Notwendigkeit einer Präambel kann vermieden werden durch Speichern der Signale für eine spätere Verarbeitung. Somit kann das gesamte Paket für die Vermittlung von Timing- und Carrier-Parametern verwendet werden. Nachdem der Ermittlung dieser Parameter durchgeführt wurde, kann die Synchonisationsprozedur unter Verwendung der gespeicherten Samples durchgeführt werden. Auch wenn unter diesen Umständen eine Präambel nicht notwendig ist, wird sie dennoch häufig verwendet.
Das Problem der Synchronisation von Paketen ohne Präambel wurde in Veröffentlichung [3] untersucht. Hierbei wurde eine paketbasierte Übertragung in schlitzbasierten Verfahren wie TDMA und Slotted Aloha betrachtet (letzteres Verfahren nur unter kollisionsfreien Bedingungen). Aufgrund des Oversamplings des eingehenden Datenstroms ist die Verwendung einer Präambel nicht mehr notwendig. Stattdessen ist das Synchronisationswort ausreichend, um eine Frame Synchronisierung durchzuführen. Obwohl dieser Ansatz scheinbar ein zusätzliches Delay verglichen zu präambelbasierten Echtzeitsynchronisationsverfahren erzeugt, kann dieses Delay noch toleriert werden, insbesondere da Delays in paketbasierten Systemen unvermeidbar sind. Zusätzlich kann durch die heute verfügbare Rechenleistung das Delay verringert werden. Somit bestehen Pakete nur aus einem Synchronisationswort, direkt gefolgt von zufälligen Daten (siehe 2). Unter diesen Voraussetzungen wurde die optimale Maximum-Likelihood-Regel hergeleitet.
Die genannten Veröffentlichungen untersuchten lediglich das Problem einer Frame Synchronisierung in Single User Systemen. Lediglich wenige Veröffentlichungen beschäftigen sich mit dem Problem bei Kanälen, auf denen mehrere Nutzer senden (zum Beispiel Veröffentlichung [4]). Die User-Frames werden zusammengesetzt aus dem Synchronisationswort, das periodisch in den Datenstrom eingefügt wird. Es werden sowohl Szenarios untersucht, in denen die Frames der einzelnen Nutzer synchronisiert sind als auch asynchrone Szenarios, bei denen die Frames der einzelnen Nutzer zu unterschiedlichen Zeiten starten können.
Derartige Frame Synchronisierungsverfahren verlangen Kenntnis über die Anzahl der konkurrierenden Nutzer oder Sender, die ihre Daten auf dem gemeinsamen Übertragungskanal senden. Dies ist eine unrealistische Annahme für MAC-Protokolle. Tatsächlich ist die Anzahl der auf dem Kanal sendenden Nutzer a priori nicht bekannt und kann vom Empfänger nur geschätzt werden. Weiterhin muss die Anzahl der Nutzer auch bei einem Vorhandensein von starken Interferenzen geschätzt werden, was nahezu unmöglich ist.
Weiterhin wurde das Problem einer Frame Synchronisierung in asynchronen Random Access Kanälen mit mehreren Nutzern (so dass Interferenzen entstehen) für paketbasierte Übertragungssysteme nie untersicht. Bei einem solchen Szenario lassen sich die bisher beschriebenen Ansätze nicht anwenden (z. B. diejenigen für einen kontinuierlichen Datenstrom), oder die bisherigen Ansätze sind suboptimal (z. B. diejenigen, die nicht von Kollisionen ausgehen).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten bereitzustellen, bei dem mehrere Sender Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal an einen Empfänger senden, wobei das Verfahren eine höhere Datenrate ermöglichen soll.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, bei dem mehrere Sender Daten über einen gemeinsamen Übertragungskanal an einen Empfänger senden. Hierbei wird ein asynchrones Random Access Verfahren für den Zugriff auf den gemeinsamen Übertragungskanal verwendet.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Frame Synchronisierung durchgeführt wird, indem der Beginn eines ersten Datenpakets wie folgt ermittelt wird:

a) Das über den Übertragungskanal übertragene Signal wird kontinuierlich oder periodisch überwacht. Dies kann beispielsweise über einen Energiedetektor, der insbesondere als Integrator ausgebildet sein kann, erfolgen. Ein derartiger Energiedetektor ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird aus diesem Grunde nicht näher beschrieben.
b) Sobald die Energie des übertragenen Signals einen definierten Schwellwert überschreitet, wird ein Zeitfenster der Länge G gestartet, dessen Länge größer ist als die Länge eines Physical Layer Pakets. Es ist bevorzugt, dass alle in diesem Zeitfenster empfangenen Datensymbole für die weiter Bearbeitung gespeichert werden.
c) Die Leistung p_p1 des ersten Datenpakets wird geschätzt. Dies erfolgt unter der Verwendung eines ersten Teils des ersten Datenpakets, der als interferenzfrei angenommen wird. Weiterhin ist es bevorzugt, einen Kanalkoeffizienten zu berücksichtigen, der den Zustand der Übertragungskanals beschreibt.
d) Die Gesamtleistung p_R+I aus Rauschen und Interferenz wird ermittelt als die Differenz aus der pro Symbol aus dem Übertragungskanal gemessenen Leistung p_K und der Leistung des ersten Datenpakets p_p1 durch: p_r+i = P_K – P_p1
e) Für alle möglichen G-N Startpositionen des ersten Datenpakets wird die folgende Maßzahl berechnet:
mit 0 ≤ μ ≤ G – N – 1. wobei μ die Startposition des ersten Datenpakets ist, ausgedrückt in Datensymbolen beginnend mit dem Start des ausgewählten Zeitfensters, wobei L die Länge des Synchronisierungswortes ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobei N die Gesamtlänge des Pakets ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobei
den reellen Teil des Arguments darstellt, σ² + σ 2 / ij die Gesamtleistung aus p_R+I aus Rauschen und Interferenz bezeichnet, r_j das an der j-ten Position des Zeitfensters empfangene Symbol ist h_x den Kanalkoeffizienten bezeichnet, ∥h_xs_j-μ∥² die empfangene Leistung für das Symbol an der Position j – μ bezeichnet, s_j-μ das Synchronisationssymbol an der Position j – μ bezeichnet, d_k das k-te mögliche Symbol der ausgewählt mit Modulationsindex M bezeichnet, der Beginn des ersten Datenpakets im ausgewählten Zeitfenster wird berechnet durch: L_G(μ) = argmax_μ[f(μ)] Hierbei handelt es sich um die Position von μ, die den Maximalwert für f(μ) ergibt.

Die Funktion f(μ) besteht aus zwei Termen: Der erste Term ist die Korrelation über dem Synchronisationswort während der zweite Term ein Korrekturterm ist. Durch die Korrelation wird die Startposition des ersten Datenpakets gefunden, während der Korrekturterm die zufälligen Daten im Paket berücksichtigt (ähnlich einem Energiekorrekturterm). Diese zwei Terme weisen Ähnlichkeiten zum Stand der Technik auf. Jedoch erscheint die Gesamtleistung aus Rauschen und Interferenz innerhalb des Terms. Die Varianz σ² + σ 2 / ij berücksichtigt, das durch den Kanal erzeugte Rauschen und approximiert das Vorhandensein von Interferenzen als eine gaußverteilte Zufallsvariable mit einem Mittelwert von 0 und einer Varianz von σ 2 / ij. Diese zweite Varianz kann symbolweise variieren (siehe z. B. auch 4 der vorliegenden Anmeldung). Es ist bevorzugt, dass ausschließlich diejenigen Datenpakete dem Decoder zugeführt werden, deren Beginn durch die Verfahrensschritte a) bis e) ermittelt wurde. Der Decoder ist hierbei mit dem Empfänger verbunden oder verbindbar.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Anzahl der Datenpakete, für die ein Decodierversuch durchgeführt wird, zu reduzieren, wodurch die Datenrate erhöht werden kann.
Insbesondere ist es nicht notwendig, die durch gleichzeitig gesendete Datenpakete anderer Nutzer erzeugten Interferenzen einzeln zu ermitteln. Vielmehr werden diese Interferenzen der anderen Nutzer ausschließlich in ihrer Summe ermittelt, so dass es nicht notwendig ist zu wissen, welcher Sender welche Interferenz verursacht hat.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass als Kanalmodell ein AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise) und eine komplexer Fading-Koeffizient angenommen werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Oversampling der im ausgewählten Zeitfenster gespeicherten Datensymbole erfolgt.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass eine M-Symbol-Modulation verwendet wird, bei der der Mittelwert der Symbole in der komplexen Ebene 0 beträgt. Hierbei kommt insbesondere eine M-PSK (Phase-Shift-Keying) Modulation zum Einsatz.
Es ist ferner bevorzugt, dass der Beginn des Zeitfensters ausgehend vom Zeitpunkt, indem gemäß Verfahrensschritt d) die Energie des übertragenen Signals eine definierten Schwellwert überschreitet, eine Zeitdauer vorverlegt wird, die der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Datensymbolen entspricht. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Länge von 10 bis 20 Datensymbolen handeln. Diese Datensymbole werden in einem Buffer gespeichert und können somit rückwirkend für die weitere Verarbeitung berücksichtigt werden. Dieses Vorverlegen des Beginns des Zeitfensters erfolgt, um sicherzustellen, dass der Beginn des Synchronisationsworts nicht doch vor dem Zeitpunkt lag, an dem die Energie des übertragenen Signals den Schwellwert überschritten hat.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass vor dem Überwachen des Kanals durch den Energiedetektor die Parameter, Timing, Sequenz und Phase ermittelt werden.
Nach einem erfolgreichen Decodieren eines Datenpakets kann ein Successive Interference Cancellation Verfahren angewandt werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierbei können insbesondere auch Decodierversuche-Pakete gestartet werden, die nicht vollständig interferenzfrei sind.
In folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1: die Korrelationsregel gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung der Grenzwertmethode und der Maximum-Likelihood-Methode,
2: eine Darstellung eines Modells aus dem Stand der Technik gemäß Druckschrift [3],
3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 und 6 Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik.
1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zum Zeitpunkt μ wurde der definierte Schwellwert auf dem Übertragungskanal überschritten, was durch einen Energiedetektor festgestellt wurde. Der Anfang des Zeitfensters mit der Länge G wurde auf den Zeitpunkt 0 zurückverlegt. Die zwischen 0 und μ eingegangenen Datensymbole wurden gespeichert und werden für die weitere Verarbeitung berücksichtigt. Das Datenpaket des dritten Nutzers ist dasjenige, das den Beginn des Zeitfensters ausgelöst hat. Es wird somit als erstes Datenpaket bezeichnet. Der erste Teil seines Datenpakets enthält das Synchronisationswort und wird für die Ermittlung der Leistung p₁ des ersten Datenpakets als interferenzfrei angenommen. Weiterhin kann ein Kanalkoeffizient berücksichtigt werden, der den Zustand des Übertragungskanals beschreibt.
Anschließend erfolgt ein Ermitteln der Gesamtleistung p_r+i aus Rauschen und Interferenz als die Differenz aus der pro Symbol auf den Übertagungskanal gemessenen Leistung P_K und der Leistung des ersten Datenpakets p_p1 durch: p_r+i = P_K – p_p1
Wie aus der 4 erkannt werden kann, ist es nicht notwendig, die durch gleichzeitig gesendete Datenpakete anderer Nutzer erzeugten Interferenzen einzeln zu ermitteln. Stattdessen werden sie ausschließlich in ihrer Summe ermittelt.
In den 5 und 6 ist die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik dargestellt. Der Verlauf gemäß ”Robertson” entspricht hierbei dem Stand der Technik gemäß [3]. Auch wurde ein Vergleich mit einer Methode durchgeführt, bei der ausschließlich Korrelation verwendet wurde. Es wird die Wahrscheinlichkeit betrachtet, dass die Regel den Start des ersten Datenpakets korrekt identifiziert, wobei einer oder mehrere Sender, die Interferenzen erzeugen, vorhanden sind. In den Monte Carlo Simulationen bestehen diese Interferenzen komplett aus zufälligen Daten, während das Datenpaket, dessen Beginn zu ermitteln ist, ein bekanntes Synchronisationswort aufweist, dem sich zufällige Daten anschließen (siehe auch den Aufbau des ersten Datenpakets in 4).
In 5 wurde das erfindungsgemäße Verfahren als Gaußsche Approximation bezeichnet. 5 berücksichtigt lediglich einen weiteren Sender, der Interferenzen verursacht. Dieser befindet sich an einer festgelegten Stelle innerhalb des Zeitfensters und hat eine Sendeleistung, die identisch mit der des Datenpakets ist, dessen Beginn ermittelt werden soll. Die x-Achse bezeichnet das Signal-Rausch-Spannungsverhältnis in dB des ersten Datenpakets, während auf der y-Achse die Wahrscheinlichkeit einer falschen Detektion des Starts des ersten Datenpakets dargestellt ist. Je kleiner diese Wahrscheinlichkeit ist, desto besser ist die Leistungsfähigkeit des Verfahrens. Für kleine SNR-Werte verhalten sich Verfahren ähnlich. Während das Signal-Rausch-Spannungsverhältnis ansteigt, zeigt das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentlich bessere Leistungsfähigkeit gegenüber den beiden anderen Verfahren. Ferner zeigen sowohl das Verfahren gemäß Robertson als auch die reine Korrelation eine Error-Floor bei 10^–2 der im erfindungsgemäßen Verfahren nicht vorhanden ist. Dies liegt daran, dass sie das Vorhandensein von Interferenzen nicht berücksichtigen. Bei einem SNR von 10 dB ist der Gewinn des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich von drei Größenordnungen verglichen zu dem Verfahren, bei dem reine Korrelation angewandt wird.
In 6 wurden fünf gleichzeitig übermittelnde Sender berücksichtigt, die Interferenzen auf dem Übertragungskanal verursachen. Diese befinden sich ebenfalls in einer festgelegten Position innerhalb des Zeitfensters und weisen insgesamt eine Sendeleistung auf, die die Leistung des ersten Datenpakets überschreitet. Für kleine SNR-Werte verhalten sich auch hier alle Verfahren ähnlich. Bei steigenden SNR-Werten zeigt das erfindungsgemäße Verfahren wiederum eine signifikant bessere Leistungsfähigkeit. Auch hier ist im Stand der Technik ein Error-Floor über 10^–1 erkennbar, während durch das erfindungsgemäße Verfahren die Wahrscheinlichkeit für eine Fehldetektion des Beginns des Datenpakets auf unter 10^–2 gebracht werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der terrestrischen Kommunikation eingesetzt werden, ferner in Sensornetzwerken, in der Satellitenkommunikation, in der Luftfahrt oder auch in sämtlichen anderen Kommunikationskanälen, in denen Interferenzen vorhanden sind. Besonders interessant ist eine Anwendung auf dem Returnlink von Satellitennetzwerken. Hierbei greift eine Vielzahl von Sendern auf einen gemeinsamen Übertagungskanal zu, wobei keine Möglichkeit besteht, Kollisionen zu vermeiden, wenn ein Random Access Verfahren für den Zugriff verwendet wird.

Claims

Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird, wobei der Zugriff der Sender auf den gemeinsamen Übertragungskanal durch ein Random Access Verfahren geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frame Synchronisierung, durchgeführt wird, indem der Beginn eines ersten Datenpakets wie folgt ermittelt wird: a) kontinuierliches oder periodisches Überwachen des über den Übertragungskanal übertragenen Signals durch einen Energiedetektor, b) sobald die Energie des übertragenen Signals einen definierten Schwellwert überschreitet, Starten eines Zeitfensters der Länge G, dessen Länge größer ist als die Länge eines Physical Layer Pakets, wobei alle in diesem Zeitfenster empfangenen Datensymbole für die weitere Bearbeitung gespeichert werden, c) Schätzen der Leistung p_p1 des ersten Datenpakets unter Verwendung eines ersten Teils des ersten Datenpakets, der als interferenzfrei angenommen wird, insbesondere eines Kanalkoeffizienten, der den Zustand des Übertragungskanals beschreibt, d) Ermitteln der Gesamtleistung p_r+i aus Rauschen und Interferenz als die Differenz aus der pro Symbol auf dem Übertragungskanal gemessenen Leistung p_K und der Leistung des ersten Datenpakets P_p1 durch p_r+i = P_K – p_p1 e) für alle möglichen G-N Startpositionen des ersten Datenpakets Berechnen der folgenden Maßzahl:
mit 0 ≤ μ ≤ G – N – 1. wobei μ die Startposition des ersten Datenpakets ist, ausgedrückt in Datensymbolen beginnend mit dem Start des ausgewählten Zeitfensters, wobei L die Länge des Synchronisierungswortes ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobei N die Gesamtlänge des Pakets ausgedrückt in Datensymbolen ist, wobei
den reellen Teil des Arguments darstellt, σ² + σ 2 / ij die Gesamtleistung aus p_R+I aus Rauschen und Interferenz bezeichnet, r_j das an der j-ten Position des Zeitfensters empfangene Symbol ist h_x den Kanalkoeffizienten bezeichnet, ∥h_xs_j-u∥² die empfangene Leistung für das Symbol an der Position j – μ bezeichnet, s_j-u das Synchronisationssymbol an der Position j – u bezeichnet, d_k das k-te mögliche Symbol der ausgewählt mit Modulationsindex M bezeichnet, wobei der Beginn des ersten Datenpakets im ausgewählten Zeitfenster berechnet wird durch L_G(μ) = argma_xf(μ)]
Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich Datenpakete dem Decoder zugeführt werden, deren Beginn durch die Verfahrensschritte a) bis e) ermittelt wurde.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch gleichzeitig gesendete Datenpakete anderer Nutzer erzeugten Interferenzen gemäß Verfahrensschritt d) anstelle von einzeln ausschließlich in ihrer Summe ermittelt werden.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kanalmodell ein AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise) und ein komplexer Fading-Koeffizient angenommen werden.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Over Sampling der im ausgewählten Zeitfenster gespeicherten Datensysteme erfolgt.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein M-Symbol Modulation verwendet wird, bei der der Mittelwert der Symbole in der komplexen Ebene 0 beträgt, insbesondere eine M-PSK Modulation (M-Phase Shift Keying).
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Zeitfensters ausgehend vom Zeitpunkt, in dem gemäß Verfahrensschritt b) die Energie des übertragenen Signals einen definierten Schwellwert überschreitet, um eine Zeitdauer vorverlegt wird, die der Länge einer vorbestimmten Anzahl von Datensymbolen entspricht.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Überwachen des Kanals durch den Energiedetektor die Parameter Timing, Frequenz und Phase ermittelt werden.
Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgreichem Dekodieren eines Datenpakets ein SIC-Verfahren (Successive Interference Cancellation) angewandt wird.