DE102020101231A1 - Method for encoding and decoding packets in random access protocols - Google Patents
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Abstract
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kodierungsschema vorgeschlagen, bei dem die Übertragungseinrichtung einen Teil von Informationen auch durch Wählen des Slot, in dem sie überträgt, liefert. Wenn ein Paket in einem speziellen Slot auf der Empfängerseite detektiert wird, erhält der Empfänger diese Informationen ohne zusätzliche Kosten.The present invention proposes a coding scheme in which the transmission device also supplies part of information by selecting the slot in which it transmits. If a packet is detected in a special slot on the recipient side, the recipient receives this information at no additional cost.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kodieren und Dekodieren von Paketen in Direktzugriffsprotokollen auf dem Gebiet der Datenübertragung und insbesondere ein Datenübertragungsverfahren unter Verwendung von Coded-Slotted-Aloha-Schemata, eine Übertragungsvorrichtung und eine Empfangsvorrichtung.The invention relates to a method for coding and decoding packets in random access protocols in the field of data transmission and, in particular, to a data transmission method using coded-slotted Aloha schemes, a transmission device and a receiving device.
Hintergrundbackground
Es ist sehr wichtig, dass es möglich ist, Daten zuverlässig zu übertragen und zu empfangen. Bei einem Slotted-Direktzugriffs-Schema, bei dem Slots in Medium-Access-Control- (MAC) Frames gruppiert sind, haben alle die gleiche Länge N (in Slots). Jeder Slot besteht aus n Kanalnutzungen, was insgesamt zu nN Kanalnutzungen für ein einzelnes MAC-Frame führt. Jeder Nutzer ist Frame- und Slot-synchron und versucht, höchstens eine Paketübertragung pro MAC-Frame. Unter Vernachlässigung von Schutzintervallen ist die Zeitdauer eines Pakets n. Am Anfang eines MAC-Frame erzeugt jeder Nutzer ein zu übertragendes Paket in dem Frame mit einer Wahrscheinlichkeit π, wobei π als Aktivierungswahrscheinlichkeit bezeichnet wird. Nutzer, die die Übertragung innerhalb eines MAC-Frame versuchen, werden als aktive Nutzer für dieses Frame bezeichnet.It is very important that it is possible to reliably transmit and receive data. In a slotted random access scheme in which slots are grouped in Medium Access Control (MAC) frames, they all have the same length N (in slots). Each slot consists of n channel usages, which leads to a total of nN channel usages for a single MAC frame. Each user is frame and slot synchronous and tries to transmit a maximum of one packet per MAC frame. Disregarding guard intervals, the duration of a packet is n. At the beginning of a MAC frame, each user generates a packet to be transmitted in the frame with a probability π, where π is called the activation probability. Users who attempt to transmit within a MAC frame are referred to as active users for that frame.
Die herkömmlichen Verfahren, z.B. das von E. Paolini, G. Liva und M. Chiani beschriebene Verfahren „Coded slotted aloha: a graph-based method for uncoordinated multiple access“ funktioniert wie folgt: es sei angenommen, dass ein aktiver Nutzer eine Mitteilung von k Bits zu übertragen hat. Der k-Bit-Informationsvektor u wird von dem Nutzer über einen binären linearen Blockkode mit einer Generatormatrix G, die ein Kodewort c mit einer Länge n erzeugt, d.h. c=uG, kodiert, was zu einer Koderate von R=k/n führt. Für jede Übertragung erzeugt der Nutzer einen willkürlichen Index i ∈ {1,2,....,N} und überträgt sein Paket c in Slot i. Bei jeder Übertragung erstellt jeder Nutzer seinen Index einheitlich und unabhängig von allen vorhergehenden ausgewählten Indizes und ohne Abstimmung mit den anderen Nutzern. Wenn es keine Kollision gibt, d.h. es nicht mehr als einen Nutzer gibt, der sein Paket in demselben Slot überträgt, versucht der Empfänger, die Mitteilung u unter Verwendung der verrauschten Beobachtungen y zu schätzen. Selbstverständlich kann versucht werden, die Verteilung π zu optimieren, um die Kollisionen zu beseitigen oder diese derart handzuhaben, dass eine sukzessive Interferenzunterdrückung (successive interference cancellation - SIC) dazu beiträgt, die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant zu verringern. Hierbei sind wir an Kodierungsschemata mit einer eine niedrige Komplexität aufweisenden physikalischen Schicht interessiert, um die Zuverlässigkeit zu verbessern, d.h. die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Schätzung ü zu verringern, wann immer es keine Kollision in einem Slot gibt.The conventional method, for example the method described by E. Paolini, G. Liva and M. Chiani “Coded slotted aloha: a graph-based method for uncoordinated multiple access” works as follows: it is assumed that an active user has received a message from k bits to transmit. The k-bit information vector u is coded by the user via a binary linear block code with a generator matrix G, which generates a code word c with a length n, i.e. c = uG, which leads to a code rate of R = k / n. For each transmission the user generates an arbitrary index i ∈ {1,2, ...., N} and transmits his packet c in slot i. With each transfer, each user creates his index uniformly and independently of all previously selected indices and without coordination with the other users. If there is no collision, i.e. there is no more than one user transmitting his packet in the same slot, the receiver tries to estimate the message u using the noisy observations y. Of course, an attempt can be made to optimize the distribution π in order to eliminate the collisions or to handle them in such a way that successive interference cancellation (SIC) helps to significantly reduce the error probability. We are interested in coding schemes with a low complexity physical layer in order to improve the reliability, i.e. to reduce the probability of an erroneous estimate ü whenever there is no collision in a slot.
Daher besteht das bei der vorliegenden Erfindung angesprochene Problem darin, wie die Dekodierungswahrscheinlichkeit bei Coded-Slotted-Aloha-Schemata, bei denen mehrere Nutzer ihre Mitteilungen unkoordiniert an einen Empfänger übertragen, verbessert werden kann.The problem addressed in the present invention is therefore how the decoding probability can be improved in coded-slotted-aloha schemes in which several users transmit their messages to one recipient in an uncoordinated manner.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Ansprüchen
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Übertragen von Daten, eine Übertragungsvorrichtung und eine Empfangsvorrichtung bereit, und mit den von den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellten technischen Lösungen kann die Dekodierungswahrscheinlichkeit verbessert werden.The present disclosure provides a method of transmitting data, a transmitting device, and a receiving device, and the technical solutions provided by the embodiments of the present disclosure can improve the decoding probability.
Es wird ein Verfahren zum Übertragen von Daten bereitgestellt, bei dem ein Übertragungskanal zu einer Empfangsvorrichtung von einer Vielzahl von Nutzern geteilt wird, wobei die Daten unter Verwendung des Coded-Slotted-Aloha-, CSA, Schemas übertragen werden, bei dem ein Informationsvektor der übertragenen Daten in zwei Teile unterteilt wird, wobei die Slot-Indizes in einen Medium-Access-Control-, MAC, Frame ausschließlich von einem ersten Teil ausgewählt werden und nur ein zweiter Teil von einer Übertragungsvorrichtung kodiert wird, wobei die Empfangsvorrichtung den ersten Teil des Informationsvektors durch Detektieren des Slot schätzt und den zweiten Teil des Informationsvektors dekodiert.A method for transmitting data is provided in which a transmission channel to a receiving device is shared by a plurality of users, the data being transmitted using the Coded Slotted Aloha, CSA, scheme, in which an information vector of the transmitted Data is divided into two parts, the slot indices in a medium access control, MAC, frame being selected exclusively by a first part and only a second part being encoded by a transmission device, the receiving device being the first part of the information vector by detecting the slot and decoding the second part of the information vector.
Bei den herkömmlichen Verfahren werden die Informationen, die dank des von einem Nutzer ausgewählten Slot-Index (d.h. Diskrete-Zeitsteuerung-Informationen) übertragen werden können, nicht genutzt, um die Mitteilung zu übertragen. Mit anderen Worten ist es möglich, einen Bruchteil der Informationen kostenfrei in den Slot einzubetten, in dem die Informationen übertragen werden, um die Leistung zu verbessern. Mit anderen Worten enthält der erste Teil des Vektors immer noch Daten, die jedoch nicht kodiert sind, sondern mit dem ausgewählten Index übertragen werden. Daher wird der Index nicht gemäß einem anderen Algorithmus ausgewählt, sondern es wird der erste Teil des Datenvektors zum Auswählen des Index verwendet, so dass dieser Teil des Informationsvektors kostenfrei übertragen werden kann.In the conventional methods, the information that can be transmitted thanks to the slot index selected by a user (i.e. discrete timing information) is not used to transmit the message. In other words, it is possible to embed a fraction of the information free of charge in the slot in which the information is transmitted to improve performance. In other words, the first part of the vector still contains data which, however, is not encoded but is transmitted with the selected index. Therefore, the index is not selected according to a different algorithm, but the first part of the data vector is used to select the index, so that this part of the information vector can be transmitted free of charge.
Vorzugsweise ist das Verfahren ferner mit einer Sukzessive-Interferenzunterdrückungs-, SIC, Methode oder mit Kodierungsschemata mit einer eine niedrige Komplexität aufweisenden physikalischen Schicht kombiniert.Preferably, the method is further with a successive interference suppression, SIC, method or with coding schemes with a one low complexity physical layer combined.
Vorzugsweise hat jedes MAC-Frame N Slots, hat der Informationsvektor u=(ui, ud) k Bits, wobei ui der erste Teil mit einer Länge m=log2 N ist, der zweite Teil ud von einem (n,k') Kanalkode mit k'=k-m kodiert wird.Each MAC frame preferably has N slots, the information vector u = (u i , u d ) k bits, where u i is the first part with a length m = log 2 N , the second part u d of a (n, k ') channel code is encoded with k' = km.
Vorzugsweise basiert die Schätzung von ui auf dem Eins-zu-Eins-Mapping zwischen ui und dem Slot-Index, wird ud mit dem Dekodierer des (n,k') Kanalkodes dekodiert.The estimate of u i is preferably based on the one-to-one mapping between u i and the slot index, u d is decoded with the decoder of the (n, k ') channel code.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Übertragungsvorrichtung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie einen Informationsvektor in zwei Teile teilt, wobei die Slot-Indizes in einem Medium-Access-Control-, MAC, Frame ausschließlich von einem ersten Teil ausgewählt wird und nur ein zweiter Teil von der Übertragungsvorrichtung kodiert wird.According to a second aspect of the embodiments of the present disclosure, a transmission device is provided which is designed such that it divides an information vector into two parts, the slot indices in a medium access control, MAC, frame exclusively from a first part is selected and only a second part is encoded by the transmission device.
Vorzugsweise hat jedes MAC-Frame N Slots, hat der Informationsvektor u=(ui, ud) k Bits, wobei ui der erste Teil mit einer Länge m=log2 N ist, der zweite Teil ud von einem (n,k') Kanalkode mit k'=k-m kodiert wird.Each MAC frame preferably has N slots, the information vector u = (u i , u d ) k bits, where u i is the first part with a length m = log 2 N , the second part u d of a (n, k ') channel code is encoded with k' = km.
Gemäß einem dritten Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Empfangsvorrichtung vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass sie einen zweiteiligen Informationsvektor empfängt, wobei ein erster Teil des Informationsvektors durch Detektieren des Slots geschätzt wird und ein zweiter Teil des Informationsvektors von einem Dekodierer dekodiert wird.According to a third aspect of the embodiments of the present disclosure, a receiving device is provided which is designed such that it receives a two-part information vector, a first part of the information vector being estimated by detecting the slot and a second part of the information vector being decoded by a decoder.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Figur beschrieben.A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the figure.
Vorzugsweise basiert die Schätzung des ersten Teils auf dem Eins-zu-Eins-Mapping zwischen dem ersten Teil und dem Slot-Index, wird der zweite Teil mit dem entsprechenden Dekodierer dekodiert.The estimation of the first part is preferably based on the one-to-one mapping between the first part and the slot index; the second part is decoded with the corresponding decoder.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kodierungsschema vorgeschlagen, bei dem die Übertragungseinrichtung einen Teil von Informationen auch durch Wählen des Slot, in dem sie überträgt, liefert. Wenn ein Paket in einem speziellen Slot auf der Empfängerseite detektiert wird, erhält der Empfänger diese Informationen ohne zusätzliche Kosten.The present invention proposes a coding scheme in which the transmission device also supplies part of information by selecting the slot in which it transmits. If a packet is detected in a special slot on the recipient side, the recipient receives this information at no additional cost.
Insbesondere umfasst ein Coded-Slotted-ALOHA- (CSA) Schema mit N Slots die folgenden Schritte:
- 1. Teilen eines k-Bit-Informationsvektors u in zwei Teile als u=(ui, ud), wobei ui ein Vektor mit einer Länge m ist, wobei m=log2 N ist, das den von der Übertragungseinrichtung gewählten Slot-Index angibt.
- 2. Die Übertragungseinrichtung verwendet einen (n,k') Kanalkode mit k'=k-m zum Kodieren des Vektors ud mit einer Länge k'.
- 3. Nach dem Detektieren des Slot eines Pakets am Empfänger erfolgt die Schätzung von ui kostenlos, da es ein Eins-zu-Eins-Mapping zwischen ui und dem Slot-Index gibt. Mit anderen Worten wird der Teil ui durch Detektieren des Slot geschätzt.
- 4. Dann dekodiert er den empfangenen Vektor mit dem Dekodierer des (n,k') Kodes zum Dekodieren von ud.
- 1. Divide a k-bit information vector u into two parts as u = (u i , u d ), where u i is a vector of length m, where m = log 2 N , which is the slot selected by the transmission device -Index indicates.
- 2. The transmission device uses an (n, k ') channel code with k' = km for coding the vector u d with a length k '.
- 3. After the slot of a packet has been detected at the receiver, u i is estimated free of charge, since there is a one-to-one mapping between u i and the slot index. In other words, the part u i is estimated by detecting the slot.
- 4. Then it decodes the received vector with the decoder of the (n, k ') code to decode u d .
An der Übertragungseinrichtung wird die Mitteilung in zwei Teile als u=(ui, ud) unterteilt, wobei ui ein Vektor mit der Länge m ist, der den Index in einem MAC-Frame auswählt, und ud der Vektor mit der Länge k' ist, der den anderen Teil der Mitteilung enthält. Dann kodiert eine Übertragungseinrichtung nur den Teil ud unter Verwendung eines (n,k') Kodes zum Übertragen des k-Bit-Informationsvektors u.At the transmission facility, the message is divided into two parts as u = (u i , u d ), where u i is a vector of length m that selects the index in a MAC frame, and u d is the vector of length k 'which contains the other part of the message. Then, a transmission device encodes only the part u d using an (n, k ') code to transmit the k-bit information vector u.
Am Empfänger wird der geschätzte Teil ûi nur durch Detektieren des Pakets wiedergewonnen, wenn es keine Kollision in dem Slot gibt. Was verbleibt, ist das Wiedergewinnen des geschätzten ûd für den zweiten Teil unter Verwendung des Dekodierers des Kanalkodes.At the receiver the estimated part û i is only recovered by detecting the packet if there is no collision in the slot. What remains is to retrieve the estimated û d for the second part using the decoder of the channel code.
Insbesondere kann ein solches Schema mit der SIC-Methode kombiniert werden.In particular, such a scheme can be combined with the SIC method.
Die Leistungszunahme für ein solches Coded-Slotted-ALOHA-Schema mit N={128, 256, 512,1024} aufgrund der Annahme, dass jeder Slot n=128 Kanalnutzer hat, basiert auf der Annahme, dass 64-Bit-Informationen für einen Kanalkode übertragen werden, was zu einer Koderate von R=0,5 führt. Bei dem vorgeschlagenen Schema können m={7, 8, 9, 10} Bits unter Verwendung der Diskrete-Zeitsteuerung-Informationen dank der Slots übertragen werden, was bedeutet, dass der verwendete Kanalkode jeweils k'={57, 56, 55, 54} hat.The performance increase for such a coded-slotted ALOHA scheme with N = {128, 256, 512,1024} due to the assumption that each slot has n = 128 channel users is based on the assumption that 64-bit information for one Channel code are transmitted, which leads to a code rate of R = 0.5. In the proposed scheme, m = {7, 8, 9, 10} bits can be transmitted using the discrete timing information thanks to the slots, which means that the channel code used is k '= {57, 56, 55, 54, respectively } Has.
Ein sehr enges Finite-Länge-Kodierungs-Bound, das als Random-Coding-Union-(RCU) Bound bezeichnet wird, wird bereitgestellt, was in etwa der Leistung des besten Kodierungsschemas für vorgegebene Parameter entspricht. Die Zunahmen bei dem vorgeschlagenen Schema sind in
Das vorgeschlagene Verfahren kann bei sämtlichen Typen von handelsüblichen drahtlosen Übertragungssystemen angewendet werden.The proposed method can be used with all types of commercially available wireless transmission systems.
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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GALLUCCIO, L.; MORABITO, G.; PALAZZO, S.: TC-Aloha: a novel access scheme for wireless networks with transmit-only nodes. In: IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 12, 2013, No. 8, S. 3696-3709. - ISSN 1558-2248 |
PAOLINI, E.; LIVA, G.; CHIANI, M.: Coded slotted ALOHA: a graph-based method for uncoordinated multiple access. In: IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 61, 2015, No. 12, S. 6815-6832. - ISSN 1557-9654 |
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