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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender über eine Relay-Vorrichtung zu einem Empfänger.
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Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei mehrere Sender Daten an eine Relay-Vorrichtung senden, die diese wiederrum an mehrere Empfänger weiterleitet. Ein derartiges Szenario, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in 1 dargestellt. Ziel dieser Systeme ist es, Daten von den Sendern 10 über die Relay-Vorrichtung 12 an die Empfänger 14 zu senden.
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Hierbei ist gewünscht, dass die Relay-Vorrichtung 12 die Daten lediglich geringfügig bearbeitet und somit nur Operationen mit niedriger Komplexität durchführt. Dies liegt beispielsweise an der beschränkten Prozessorkapazitäten, der begrenzten Energiekapazität oder aber hohen aggregierten Datenraten, die durch die Relay-Vorrichtung 12 zu verarbeiten sind.
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Bekannte Relay-Vorrichtungen verwenden verschiedene Channel Coding Verfahren, um die Datenintegrität zwischen der Sendevorrichtung und der Relay-Vorrichtung und zwischen der Relay-Vorrichtung und dem Empfänger zu gewährleisten. Um Datenfehler in der Verbindung zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung zu korrigieren, muss in der Relay-Vorrichtung ein Dekodieren vorgenommen werden. Da die Kapazitäten zum Durchführen von Berechnungen an der Relay-Vorrichtung begrenzt sind, muss das zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung verwendete Channel Coding Schema einfach sein. Es wird somit sehr geringe Fehlerkorrekturfähigkeiten aufweisen.
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Um dennoch einen starken Schutz der Daten zu erreichen, kann ein starker und damit komplexer Code für die Verbindung zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung verwendet werden. Allerdings wird kein Dekodieren an der Relay-Vorrichtung durchgeführt. Stattdessen werden die kodierten Daten (mit den auf dem Kanal entstandenen Fehlern) zum Empfänger weitergeleitet. Dies kann gegebenenfalls nach Durchführen einiger zusätzlicher Berechnungen erfolgen. Diese Berechnungen können beispielsweise umfassen, dass die Daten ein zweites Mal kodiert werden, um sie gegen zusätzliche Fehler in der Verbindung zwischen der Relay-Vorrichtung und dem Empfänger zu schützen. Anschließend werden alle Dekodieroperationen beim Empfänger durchgeführt.
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Hierdurch wird allerdings sämtliche Komplexität zur Empfangsvorrichtung übertragen. Zusätzlich verliert das System an Bandbreiteneffizienz. Der Grund hierfür ist, dass redundante Daten zwar bei der Relay-Vorrichtung entfernt werden könnten. Allerdings werden sie stattdessen zum Empfänger weitergeleitet. Ein prominentes System, das wie oben beschrieben arbeitet, ist das EDRS System (European Data Relay Satellite).
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von einem Sender zu einem Empfänger über eine Relay-Vorrichtung bereitzustellen, das die begrenzten Berechnungskapazitäten der Relay-Vorrichtung berücksichtigt und gleichzeitig eine hohe Bandbreiteneffizienz bietet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Übertragen von Daten von einem Sender über eine Relay-Vorrichtung zu einem Empfänger. Zunächst werden die Daten unter Verwendung eines Packet-Level-Codes durch einen mit dem Sender verbundenen Kodierer kodiert. Anschließend werden die Daten von dem Sender an die Relay-Vorrichtung über einen ersten verlustbarhafteten Übertragungskanal übertragen. Sodann werden die Daten von der Relay-Vorrichtung an den Empfänger über einen zweiten verlustbarhafteten Übertragungskanal weitergeleitet.
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Erfindungsgemäß werden vor dem Übertragen der Daten von der Relay-Vorrichtung zu dem Empfänger Datenpakete entfernt, sodass die Anzahl der redundanten Pakete, die von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger übertragen werden, reduziert wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Daten vor der Übertragung vom Sender zu der Relay-Vorrichtung durch einen Fehlererkennungscode geschützt werden.
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Es ist bevorzugt, dass an der Relay-Vorrichtung für jedes Paket, das durch den Packet-Level-Code kodiert wurde, ermittelt wird, ob es fehlerfrei empfangen wurde.
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Die vor dem Übertragen der Daten von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger entfernten Datenpakete werden zufällig ausgewählt. Diese werden sodann nicht von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger weitergeleitet, sodass Bandbreite eingespart werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass das Relay eine Vorrichtung (packet remover) besitzt, welche intakte Datenpakete entfernt. Diese können sowohl zufällig ausgewählt werden, als auch basierend auf einer Strategie (bspw. Info Pakete werden eher nicht verworfen im Gegensatz zu Paritätspaketen). Alternativ ist es möglich, abhängig vom Code Pakete vorzuschlagen, die entfernt werden sollen. Diese müssen dann an der Relay-Vorrichtung bekannt sein.
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Es ist bevorzugt, dass von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger K+Δ Pakete übertragen werden, wobei K die Länge des Informationswortes ist. Dies erfolgt, wenn die Anzahl der bei der Relay-Vorrichtung vorhandenen Pakete > K+Δ ist. In diesem Fall geschieht diese Übertragung unabhängig von der Fehlerwahrscheinlichkeit des Übertragungskanals. Wenn K Pakete vorhanden sind, kann entweder gar nichts übertragen werden oder gegebenenfalls lediglich diejenigen Pakete, die bei der Relay-Vorrichtung korrekt empfangen wurden. Wenn bei der Relay-Vorrichtung zwischen K und K+Δ Pakete vorhanden sind, kann je nach Strategie ebenfalls gar nichts übertragen werden oder gegebenenfalls lediglich die Anzahl der korrekt empfangenen Pakete. Ein Verfahren nach dem Stand der Technik würde K+(N-K) Pakete von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger übertragen, wobei N-K>>Δ. Hierbei bezeichnet N die Codewortlänge des Packet-Level-Codes.
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Es ist bevorzugt, dass die Anzahl der vor der Übertragung zwischen der Relay-Vorrichtung und dem Empfänger entfernten Pakete N-K-E-Δ ist. Hierbei kennzeichnet E die Anzahl der zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung verloren gegangen Pakete, die unter Verwendung des Fehlerkorrekturcodes ermittelt werden können. Δ ist ein Konfigurationsparameter, der gewählt wird, um einen Kompromiss zwischen der Blockfehlerrate am Empfänger und der Bandbreiteneffizienz zu erreichen.
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Es ist bevorzugt, dass Δ 0% bis 5% von K ausmacht. Ein typischer Wert für Δ wäre 1%. Der Wert für Δ hängt vom Dekoder, von der Blocklänge sowie vom verwendeten Kanalkode ab. Beispielsweise kann für einen LDPC Code mit einer Informationslänge von mehr als 1000 und der Verwendung von Maximum Likelihood Decoding ein Δ von circa 1% verwendet werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Daten vor dem Übertragen vom Sender zur Relay-Vorrichtung durch einen Physical-Layer-Code kodiert werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Daten vor der Übertragung von der Relay-Vorrichtung zum Empfänger durch einen Fehlererkennungscode geschützt werden. Es ist bevorzugt, dass hierbei derselbe Fehlererkennungscode wie auf dem Übertragungskanal vom Sender zu der Relay-Vorrichtung verwendet wird.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Packet-Level-Code derart dimensioniert ist, dass er die maximal möglichen Fehler bei der Übertragung der Daten zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung korrigieren kann.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Relay-Vorrichtung die Codeparameter der Datenübertragung zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung kennt. Diese Information wird vom Paket-Remover verwendet, um zu bestimmen, wie viele Pakete entfernt werden sollen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit eine Möglichkeit Berechnungskomplexität bei der Relay-Vorrichtung einzusparen und gleichzeitig die Bandbreiteneffizienz zu erhöhen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1: ein System unter Verwendung einer Relay-Vorrichtung, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann
- 2: die grundsätzliche Funktionsweise eines Packet-Level-Coding, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist
- 3: die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 4: eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
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1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
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2 zeigt die grundsätzliche Funktionsweise des Packet-Level-Coding, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hierbei werden durch einen Packet-Level-Encoder K Informationspakete in ein Codewort mit n Codewortpaketen umgewandelt, das neben dem k Informationspaketen auch m Paritätspakete enthält. Die Daten können weiterhin mit einem Physical-Layer-Code geschützt werden und über den verlustbarhafteten Übertragungskanal übermittelt werden. Das Dekodieren findet durch den Packet-Level-Encoder in umgekehrter Reihenfolge statt.
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Ein ähnliches Verfahren wird in der vorliegenden Erfindung gemäß 3 verwendet, wobei in der Relay-Vorrichtung 12 durch den Packet-Remover vor dem Übertragen der Daten von der Relay-Vorrichtung 12 zum Empfänger 14 Datenpakete entfernt werden, sodass die Anzahl der redundanten Daten, die von der Relay-Vorrichtung 12 zum Empfänger 14 übertragen werden, reduziert werden. Die Anzahl der entfernten Datenpakete kann beispielsweise berechnet werden gemäß N-K-E-Δ.
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Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 4 dargestellt. Es wurde ein beispielhaftes Satellitensystem mit einer Relay-Vorrichtung betrachtet. Für den zweiten verlustbaren Übertragungskanal zwischen der Relay-Vorrichtung und dem Empfänger wurden Modulation und Coding gemäß CCSDS DVB-S2 vorgenommen. Es wurde angenommen, dass das Modcod derart gewählt wurde, dass die Fehler im zweiten verlustbarhafteten Übertragungskanal zwischen der Relay-Vorrichtung und dem Empfänger marginal sind. Für den verlustbarhafteten Übertragungskanal zwischen dem Sender und der Relay-Vorrichtung wird angenommen, dass dieser (nach dem Physical-Layer-Coding und der Fehlererkennung) modelliert werden kann als sogenannter Erasure Channel. Es wurde ferner angenommen, dass jegliche Kanalkorrelation durch einen Channel Interleaver abgeschwächt wird. Daher wird das Kanalmodell als ein unkorrelierter Packet Erasure Channel angenommen. Abhängig vom Szenario kann die Auslöschungswahrscheinlichkeit auf dem ersten verlustbarhafteten Übertragungskanal variieren. Es wurde ein Code verwendet, dessen Rate niedrig genug ist, um in den meisten Fällen eine zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Es wurden die Parameter R=1/5, N=24000 und K=4800 verwendet. Der Packet-Remover der Relay-Vorrichtung 12 wird M-E-Δ Datenpakete entfernen und nicht zum Empfänger übertragen. Dies erfolgt zusätzlich zu den E Auslöschungen, die in dem ersten verlustbarhafteten Übertragungskanal ausgelöscht wurden. Im Ergebnis werden von den N=K+M Paketen E durch den Fehlererkennungskode als fehlerhaft markiert und verworfen. Zusätzlich werden von den verbleibenden ,guten‘ N-E Paketen N-E-(K+ Δ) Pakete entfernt. Es bleiben also K+Δ Pakete übrig und es wurden insgesamt N-(K+Δ) Pakete entfernt.
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Die Relay-Vorrichtung leitet somit lediglich K+Δ Pakete an den Empfänger weiter. Dies gilt unabhängig von R.
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Es wurde die Performance einen Raptor-ähnlichen LDPC Codes auf dem Erasure Channel simuliert, wobei Maximum-Likelihood Decoding beim Empfänger durchgeführt wurde. In 4 ist die Blockfehlerrate gegenüber Δ dargestellt. Dieser Designparameter Δ gibt einen Hinweis auf die verlorengegangene Bandbreite aufgrund des unperfekten Packet-Level-Codes.
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Wählt man Δ=0 wird die bestmögliche Bandbreiteneffizient erreicht, jedoch mit einer Blockfederrate von 1. Wenn der Packet-Remover derart gesteuert wird, dass er weniger Pakete entfernt, kann die Blockfehlerrate reduziert werden. Beispielsweise kann für Δ=45 die Bandbreite um 45:4800=0,9% erhöht werden. Gleichzeitig kann eine Blockfehlerrate beim Empfänger von etwa 1e-3 erreicht werden. Durch weiteres Erhöhen von Δ kann die Blockfehlerrate weiter reduziert werden.
