DE102020131214B3 - Verfahren zum Übertragen von Daten - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Daten unter Verwendung eines Successive Interference Cancellation und des Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) Verfahrens, wobei nach Abschluss oder Abbruch des SIC-Verfahrens folgende Schritte durchgeführt werden:a) Bestimmen der Energie (E1, E2, ..., EM) des in jedem der M-Slots beim Empfänger empfangenen Gesamtsignals.b) Bilden eines binären Vektors b = (b1, b2, ..., bM),wobei bi = 0, wenn Ei < ηund bi = 1, wenn Ei > η,wobei η ein vordefinierter Grenzwert istc) Auf Basis des Vektors b Bestimmen des Set U der Sender, deren Datenpakete nach dem SIC-Verfahren eine nicht aufgelöste Kollision aufweisen.d) Wenn alle Werte des Vektors b 0 sind:Zurverfügungstellen eines neuen MAC-Frame zur Datenübertragung.e) Wenn mindestens zwei Werte des Vektors b ≠ 0 sind:Initiieren einer Kollisions-Auflösungs-Phase, in der einem Sender aus dem Set U ein zusätzlicher Slot zugewiesen wird, in dem er im Anschluss an den regulären MAC-Frame sein Datenpaket übermitteln kann, wobei dieser Sender über den ihm zugewiesenen Slot informiert wird.f) Nach Empfangen des Datenpakets dieses Senders in dem zusätzlichen Slot:Dekodieren dieses Datenpakets und Entfernen der durch dieses Datenpaket verursachten Interferenzen in den Datenpaketen anderer Sender im vergangenen regulären MAC-Frame.g) Erneutes Durchführen des SIC-Verfahrens im vergangenen regulären MAC-Frame.h) Wiederholen der Schritte a) bis g) bis alle Werte des Vektors b 0 sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal.
• Aus dem Stand der Technik sind schlitzbasierte Random-Access-Verfahren bekannt, in denen die Slots in Medium-Access-Control (MAC)-Frames zusammengefasst werden, die alle die gleiche Länge M (in Slots) aufweisen. Jeder Slot weist eine Zeitdauer T_slot, wobei der MAC-Frame eine Zeitdauer von T_frame aufweist, so dass M = T_frame /T_slot. Die Gesamtanzahl an Nutzern oder Sendern im System ist N = α·M, wobei α die normalisierte Nutzerpopulation ist. Die Nutzer sind untereinander hinsichtlich der Frames und der Slots synchronisiert. Jeder Sender unternimmt höchstens einen Versuch per MAC-Frame, ein Datenpaket (Burst) zu übertragen. Die Zeitdauer eines Bursts ist T_slot. Zu Beginn eines MAC-Frames generiert jeder Nutzer einen innerhalb des Frames zu übertragenden Burst mit einer Wahrscheinlichkeit von π, wobei π die Aktivierungswahrscheinlichkeit ist. Nutzer oder Sender, die innerhalb eines MAC-Frames einen Übertragungsversuch unternehmen, werden für diesen Frame als aktive Nutzer bezeichnet.
• Nähere Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
1. [1] G. Liva, „Graph-Based Analysis and Optimization of Content Resolution Diversity Slotted ALOHA“ IEEE Trans. Commun., vol. 59, no. 2, pp. 477-487, Feb. 2011
2. [2] E. Paolini, G. Liva and M. Chiani, „High Throughput Random Access via Codes on Graphs: Coded Slotted ALOHA“ in Proc. 2011 IEEE Int. Conf. Commun., Kyoto, Japan, Jun. 2011
3. [3] E. Paolini, G. Liva and A. G. i Amat, „A Structured Irregular Repetition Slotted ALOHA Scheme with Low Error Floors“ in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC), Paris, France, Jun. 2017
4. [4] X. HU, E. Eleftheriou and D. Arnold, „Regular and irregular progressive edge-growth tanner graphs“ IEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 1, pp. 386 - 398, Jan. 2005
5. [5] A. Venkiah, D. Declercq and C. Pulliat, „Design of cages with a randomized progressive edge-growth algorithm“ IEEE Commun. Lett., vol. 12, no.4, pp. 301-303, Apr. 2008.
6. [6] M. Aldrige, L. Baldassini and O. Johnson, „Group testing algorithms: Bounds and simulations“ IEEE Transactions on Information Theory, vol. 60, no. 6, pp. 3671 - 3687, June 2014.
• DE 10 2015 215 177 B3 beschreibt ein verfahren zur Steuerung der Sendeleistung, wobei beim Empfänger ein Successive-Interference-Cancellation-Verfahren durchgeführt wird, um Interferenzen zu entfernen.
• In der vorliegenden Anmeldung wird das Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) Protokoll betrachtet, das in Veröffentlichung [1] beschrieben ist. Gemäß diesem Protokoll wählt ein Nutzer jedes Mal, wenn er aktiv wird, eine Anzahl d an Wiederholungen (Repetition Degree d) zufällig aus, indem er eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion A_d verwendet, die allen Nutzern bekannt ist. Der Sender generiert somit d Kopien oder Replikas seines Pakets. Diese d Replikas, von denen jede die Länge T_slot aufweist, werden dann in d Slots übermittelt, die zufällig aus aus den M Slots des Frame ausgewählt werden. Da die einzelnen Sender unabhängig voreinander aktiv werden, kann die Anzahl der aktiven Nutzer innerhalb eines Frame modelliert werden durch die Zufallsvariable N_a, die binomial verteilt ist mit einem Mittelwert E[N_a] = πN. Die erwartete Kanallast (die die erwartete Anzahl an Paketübertragungen pro Slot darstellt) ist $$G=\frac{E\left[N_a\right]}{M}.$$

  
• Als Kanalmodell wird ein sogenannter Collision Channel angenommen, der dazu verwendet wird, Random Access Protokolle zu analysieren. Der Empfänger kann in jedem Slot unterscheiden zwischen einem leeren Slot (kein aktiver Nutzer hat in diesem Slot etwas übermittelt), einem Signal, das einem einzigen Datenpaket entspricht, oder aber einem Signal, das das Resultat einer Kollision ist. Sofern ein einziges Paket detektiert wird, kann es immer erfolgreich dekodiert werden, während im Falle einer Kollision das detektierte Signal keine Information über die Anzahl und den Inhalt der kollisionsbehafteten Pakete enthält. Sobald ein Pakt dekodiert wurde, wird seine Interferenz, die durch die zu diesem Paket gehörenden identischen Replikas erzeugt wurde, von den entsprechenden weiteren Slots entfernt. Dieser Prozess wird Successive Interference Cancellation (SIC) genannt. Dieser Prozess wird solange iterativ wiederholt, bis keine kollisionsfreien Pakete mehr im MAC-Frame enthalten sind.
• Ein vereinfachtes Beispiel hierfür ist in 1 dargestellt. Hier übermittelt jeder aktive Nutzer zwei Kopien seines Pakets. In Slot 2 liegt ein kollisionsfreies Paket vor, das dekodiert werden kann. Es ist das Paket des Nutzers u₉. Die Replika dieses Pakets, die in Slot 3 übermittelt wurde, kann entfernt werden, so dass das andere Paket in Slot 3 (nämlich das Paket des Nutzers u₄ dekodiert werden kann. Die Kopie des Pakets des Nutzers u₄, die in Slot 1 übermittelt wurde, kann dann entfernt werden, so dass in Slot 1 das Paket des Nutzers u₂ dekodiert werden kann. Der Prozess wird solange fortgeführt, bis (zumindest im vorliegenden Beispiel) die Pakete aller Nutzer dekodiert werden können.
• Da Nutzer die Slots, in denen sie ihre Datenpakete übermitteln, zufällig auswählen, führt dies häufig zu nicht auflösbaren Kollisionsmustern. Eine Methode, um dies zu vermeiden, wurde beschrieben in DE 10 2016 220 515 . Diese Methode wurde anschließend in Veröffentlichung [3] veröffentlicht.
• Das hierin beschriebene Verfahren kann immer noch versagen, wenn eine hohe Kanallast vorliegt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem gemeinsamen Empfänger über einen gemeinsamen Übertragungskanal bereitzustellen, das eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei hoher Kanallast aufweist.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird. Jeder Sender übermittelt ein zu übermittelndes Datenpaket zusammen mit mindestens einer Replika dieses Datenpakets innerhalb eines Slots an den Empfänger. Bei einem interferenzfreiem Empfang mindestens einer Replika des Datenpakets beim Empfänger wird ein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt, indem für alle weiteren Datenpakete, die identisch zum interferenzfreien Datenpaket sind, die von ihnen verursachte Interferenz in anderen Slots entfernt wird.
• Zur Datenübertragung wird das IRSA-Verfahren verwendet. Bis zu diesem Punkt entspricht die vorliegende Erfindung dem Stand der Technik, der in der Einleitung ausführlich gewürdigt wird. Insofern wir hier auf weitere Erläuterungen der genannten Verfahren verzichtet.
• Nach Abschluss oder Abbruch des Successive Interference Cancellation Verfahrens werden folgende Schritte durchgeführt:
1. a) Bestimmen der Energie (E₁, E₂, ..., E_M) des in jedem der M Slots beim Empfänger empfangenen Gesamtsignals.
2. b) Bilden eines binären Vektors b = (b₁, b₂, ..., b_M),
   • wobei b_i = 0, wenn E_i < η
   • und b_i = 1, wenn E_i > η,
   • wobei η ein vordefinierter Grenzwert ist. Der Grenzwert η kann frei gewählt werden derart, dass die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlerkennung einer Kollision und für einen Fehlalarm niedrig sind.
3. c) Auf Basis des Vektors b Bestimmen des Set U der Sender, deren Datenpakete nach dem SIC-Verfahren eine nicht aufgelöste Kollision aufweisen.
4. d) Wenn alle Werte des Vektors b 0 sind:
   • Zurverfügungstellen eines neuen MAC-Frame zur Datenübertragung.
5. e) Wenn mindestens zwei Werte des Vektors b ≠ 0 sind:
   • Initiieren einer Kollisions-Auflösungs-Phase, in der einem Sender aus dem Set U ein zusätzlicher Slot zugewiesen wird, in dem er im Anschluss an den regulären MAC-Frame sein Datenpaket übermitteln kann, wobei dieser Sender über den ihm zugewiesenen Slot informiert wird.
6. f) Nach Empfangen des Datenpakets dieses Senders in dem zusätzlichen Slot:
   • Dekodieren dieses Datenpakets und Entfernen der durch dieses Datenpaket verursachten Interferenzen in den Datenpaketen anderer Sender im vergangenen regulären MAC-Frame.
7. g) Erneutes Durchführen des SIC-Verfahrens im vergangenen regulären MAC-Frame.
8. h) Wiederholen der Schritte a) bis g) bis alle Werte des Vektors b 0 sind.
• Erfindungsgemäß wird somit im Falle einer durch das SIC-Verfahren nicht auflösbaren Kollision ein zusätzlicher Slot in einer Kollisionsauflösungsphase zur Verfügung gestellt, in dem ein Sender aus dem Set U im Anschluss an den regulären MAC-Frame sein Datenpaket übermitteln kann. Hierdurch wird eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen, das SIC-Verfahren fortzuführen und erfolgreich zum Abschluss zu bringen. Konkrete Erläuterungen zu der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, die auf Untersuchungen der Anmelderin basieren, werden im Zusammenhang mit den Figuren erläutert.
• Es ist bevorzugt, dass die Schritte a) bis g) nur so oft wiederholt werden, bis eine maximale Anzahl µ_MAX zusätzlicher Slots generiert wurde. Sofern bis zu dieser maximalen Anzahl das SIC-Verfahren nicht erfolgreich abgeschlossen werden konnte, wird auch das erfindungsgemäße Verfahren abgebrochen.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass in einer Initialisierungsphase gemäß dem IRSA-Verfahren ein bipartiter Graph mit M Check Nodes und N Variable Nodes erstellt wird und jedem Sender im Netzwerk eindeutig ein Variable Node zugeordnet wird. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik bekannt.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass jeder Sender der Datenpakte im MAC-Frame senden möchte, dies gemäß den ihm zugewiesenen Slots tut. Diese werden definiert durch die Kantenverbindungen zum Variable Node im bipartiten Graph, der diesem Sender zugeordnet ist. Dies ist ebenfalls auch dem Stand der Technik bekannt.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass zur Bestimmung des Sets U der Sender, deren Datenpakete nach dem SIC-Verfahren eine nicht aufgelöste Kollision aufweisen, ein Combinatorial Orthogonal Matching Pursuit (COMP) Algorithmus verwendet wird.
• Weiterhin ist es bevorzugt, dass während der Kollisionsauflösungsphase gemäß den Verfahrensschritten a) bis g) alle übrigen Sender, die nicht zum Set U gehören, insbesondere durch einen Broadcast informiert werden, dass sie keine Datenpakete im zusätzlichen Slot senden dürfen. Dies hat zur Folge, dass lediglich ein Sender sein Datenpaket im zusätzlichen Slot sendet, so dass sichergestellt werden kann, dass dieses kollisionsfrei empfangen und somit dekodiert werden kann.
• Die Algorithmen, um das Set U der Sender mit nicht aufgelösten Replikas zu ermitteln, können beispielsweise der Veröffentlichung [6] entnommen werden.
• Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
• Es zeigen:
• 1 die Funktionsweise des aus dem Stand der Technik bekannten Successive Interference Cancellation Verfahrens
• 2 die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
• 1 wurde bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
• In 2 sind die Ergebnisse einer Simulation der Anmelderin dargestellt. Es wurde eine Übertragung über einen MAC-Frame mit M = 200 Slots und N = 2000 Nutzern simuliert. Der zu Grunde liegende bipartite Graph, der das Zugriffsschema definiert, hat 2000 Variable Nodes und 200 Check Nodes. Alle Variable Nodes haben einen Grad von 2 und alle Check Nodes haben einen Grad von 20. Die Leistungsfähigkeit des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ohne eine Kollisionsauflösungsphase ist zum Vergleich dargestellt. Ferner ist die Leistungsfähigkeit von zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, nämlich einmal mit einer maximalen Anzahl von 10 zusätzlichen Slots und einmal mit einer maximalen Anzahl von 50 zusätzlichen Slots. Die Definition der Kanallast berücksichtigt die Hinzufügung der zusätzlichen Slots. Für die Schätzung des Sets U der Nutzer mit nicht aufgelösten Kollisionen wurde ein Combinatorial Orthogonal Matching Pursuit (COMP) Algorithmus verwendet, wie er beispielsweise in Veröffentlichung [6] dargestellt ist. Die Verbesserung durch das erfindungsgemäße Verfahren ist klar sichtbar:
• Bei einer Paketverlustrate von 10^-2 erzielt das Verfahren mit µ_MAX = 50 eine Last von ≈ 0,7 Pakete pro Slot, während ohne eine Kollisionsauflösungsphase die mögliche Kanallast auf ≈ 0,4 Pakete pro Slot limitiert ist, um dieselbe Paketverlustrate von 10^-2 zu erreichen.
• Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden in allen Arten von drahtlosen Übertragungssystemen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Übertragen von Daten, - wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird, wobei jeder Sender ein zu übermittelndes Datenpaket zusammen mit mindestens einer Replika dieses Datenpakets innerhalb eines Slots an den Empfänger übermittelt, - wobei bei interferenzfreiem Empfang des Datenpakets oder einer der Replikas beim Empfänger ein Successive Interference Cancellation (SIC) Verfahren durchgeführt wird, indem für alle anderen Datenpakete, die identisch zum interferenzfreien Datenpaket sind, die von ihnen verursachte Interferenz in anderen Datenpaketen entfernt wird, - wobei zur Datenübertragung das Irregular Repetition Slotted Aloha (IRSA) Verfahren verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss oder Abbruch des SIC-Verfahrens folgende Schritte durchgeführt werden: a) Bestimmen der Energie (E₁, E₂, ..., E_M) des in jedem der m Slots beim Empfänger empfangenen Gesamtsignals. b) Bilden eines binären Vektors b = (b₁, b₂, ..., b_M), wobei b_i = 0, wenn E_i < η und b_i = 1, wenn E_i > η, wobei η ein vordefinierter Grenzwert ist. c) Auf Basis des Vektors b Bestimmen des Set U der Sender, deren Datenpakete nach dem SIC-Verfahren eine nicht aufgelöste Kollision aufweisen. d) Wenn alle Werte des Vektors b 0 sind: Zurverfügungstellen eines neuen MAC-Frame zur Datenübertragung. e) Wenn mindestens zwei Werte des Vektors b ≠ 0 sind: Initiieren einer Kollisions-Auflösungs-Phase, in der einem Sender aus dem Set U ein zusätzlicher Slot zugewiesen wird, in dem er im Anschluss an den regulären MAC-Frame sein Datenpaket übermitteln kann, wobei dieser Sender über den ihm zugewiesenen Slot informiert wird. f) Nach Empfangen des Datenpakets dieses Senders in dem zusätzlichen Slot: Dekodieren dieses Datenpakets und Entfernen der durch dieses Datenpaket verursachten Interferenzen in den Datenpaketen anderer Sender im vergangenen regulären MAC-Frame. g) Erneutes Durchführen des SIC-Verfahrens im vergangenen regulären MAC-Frame. h) Wiederholen der Schritte a) bis g) bis alle Werte des Vektors b = 0 sind.
2. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis g) nur so oft wiederholt werden, bis eine maximale Anzahl (µ_MAX) zusätzlicher Slots generiert wurde.
3. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Initialisierungsphase gemäß dem IRSA-Verfahren ein bipartiter Graph mit M Check Nodes und N Variable Nodes erstellt wird, und jeder Sender im Netzwerk eindeutig einem Variable Node zugeordnet wird.
4. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sender, der Datenpakte im MAC-Frame senden möchte, dies gemäß den ihm zugewiesenen Slots tut, die definiert werden durch die Kantenverbindungen zum Variable Node im bipartiten Graph, der diesem Sender zugeordnet ist.
5. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Sets U der Sender, deren Datenpakete nach dem SIC-Verfahren eine nicht aufgelöste Kollision aufweisen, ein Combinatorial Orthogonal Matching Persuit (COMP) Algorithmus verwendet wird.
6. Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Kollisionsauflösungsphase gemäß den Verfahrensschritten a) bis g) alle übrigen Sender, die nicht zum Set U gehören, insbesondere durch einen Broadcast, informiert werden, dass sie keine Datenpakete im zusätzlichen Slot senden sollen.

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