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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal.
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Ein derartiger zufälliger und unkoordinierter Zugriff von mehreren Sendern auf einen gemeinsamen Übertragungskanal findet beispielsweise in mMTC-Anwendungen (Massive Machine Type of Communications) oder in IoT-Anwendungen (Internet of Things) statt. In derartigen Anwendungen sind orthogonale oder koordinierter Kanalzugriffsverfahren, bei denen einzelnen Sendern Ressourcen zugeordnet werden, inneffizient. Dies gilt besonders für kleine Paketgrößen.
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Durch Variationen des Aloha Random Access-Protokolls werden Verfahren bereitgestellt, bei denen Nutzer jederzeit auf den Übertragungskanal zugreifen können. Derartige Verfahren werden sowohl in der Sattelitenkommunikation als auch in der terrestrischen Kommunikation verwendet. Viele Variationen des Aloha-Protokolls gehen davon aus, dass jeder Sender seinen Nutzdaten eine Pilotsequenz hinzufügt. Diese kann entweder zufällig gewählt werden oder durch einen Algorithmus aus einer vorbestimmten Anzahl von möglichen Sequenzen ausgewählt werden. In manchen Protokollen wird vorausgesetzt, dass diese Sequenzen zueinander orthogonal sind. Der Pool der verfügbaren Sequenzen ist sowohl sender- als auch empfängerseitig bekannt und wird durch jedes Protokoll festgelegt. Empfängerseitig sind Pilotsequenzen sehr wichtig, um eine Kanalschätzung durchzuführen und somit in der Lage zu sein, die Nutzdaten zu dekodieren.
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Pilotbasierte Kanalschätzung funktioniert solange gut, wie jeder Nutzer eine unterschiedliche Pilotsequenz wählt. Wenn dagegen mehrere Nutzer dieselbe Pilotsequenz wählen (oder diese zugeteilt bekommen) und dies zum gleichen Zeitpunkt auf dem Kanal geschieht, so ist der Empfänger nicht mehr in der Lage, die Kanaleigenschaften zu schätzen, so dass es zu einem Dekodierfehler kommen wird. Dies kann vorkommen, wenn mehrere Sender dieselbe Pilotsequenz an den Empfänger senden oder wenn zwei benachbarte Sender dieselbe Pilotsequenz für die Kommunikation mit zwei unterschiedlichen Empfängern verwenden, was als „pilot contamination“ bezeichnet wird.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung hat die Anmelderin insbesondere terrestrische Systeme mit multiple input und multiple output (mimo)-Antennen untersucht. Mimo-Technologien erlauben es, bestimmte Eigenschaften des Übertragungskanals auszunutzen, um mit den Problemen der Pilotkollision oder Pilotkontamination umzugehen und somit die Gesamtperformance des Systems zu verbessern.
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Um diesen Problemen zu begegnen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Koordination dahingehend vorzunehmen, dass verhindert werden soll, dass die selben Pilotsequenzen mehreren Sendern zugeordnet werden. Hierdurch wird jedoch ein erhöhter Signalisierungsaufwand notwendig, was die erforderlichen Kanalressourcen erhöht. Weiterhin ist dieses Verfahren nachteilig, sobald die Anzahl der Sender größer als die Anzahl der verfügbaren Pilotsequenzen ist.
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Auch wurden unkoordinierte Verfahren untersucht, um die genannten Probleme zu lösen. Beispielsweise wurde ein sogenanntes Pilot-hopping vorgeschlagen. Das bedeutet, dass jeder Nutzer eine neue Pilotsequenz für jeden Übertragungsslot auswählt. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit dafür, dass zwei Nutzer in zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Slots miteinander kollidieren, reduziert.
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Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- [1] J. H. Sorensen and E. de Carvalho, „Pilot decontamination through pilot sequence hopping in massive MIMO systems," 2014 IEEE Global Communications Conference, 2014, pp. 3285-3290, doi: 10.1109/GLOCOM.2014.7037313.
- [2] H. Yin, D. Gesbert, M. Filippou and Y. Liu, „A Coordinated Approach to Channel Estimation in Large-Scale Multiple-Antenna Systems," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 31, no. 2, pp. 264-273, February 2013, doi: 10.1109/JSAC.2013.130214.
- [3] J. H. Sorensen, E. de Carvalho, Ö. Stefanovic and P. Popovski, „Coded Pilot Random Access for Massive MIMO Systems," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 12, pp. 8035-8046, Dec. 2018, doi: 10.1109/11NC.2018.2873400.
- [4] Lorenzo Valentini, Alberto Faedi, Marco Chiani, Enrico Paolini, „Impact of Interference Subtraction on Grant-Free Multiple Access with Massive MIMO" in IEEE ICC 2022 - Signal Processing for Communications Symposium
- [5] J. Jose, A. Ashikhmin, T. L. Marzetta and S. Vishwanath, „Pilot Contamination and Precoding in Multi-Cell TDD Systems," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 8, pp. 2640-2651, August 2011, doi: 10.1109/TWC.2011.060711.101155.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal bereitzustellen, durch das eine verbesserte Kanalschätzzung durch eine Pilotsequenz erreicht werden kann. Es soll ferner ein Sender zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitgestellt werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal übermittelt. Zusätzlich zu dem einen Empfänger kann auch eine Übertragung von Daten an weitere Empfänger erfolgen. Wesentlich ist hierbei, dass ein gemeinsam genutzter Übertragungskanal verwendet wird. Die Sender greifen hierbei ohne eine Koordination untereinander und unsynchronisiert auf den Übertragungskanal zu. Sie senden Ihre Daten als Datenpakete und es wird eine dem Sender und dem Empfänger bekannte Pilotsequenz zur Kanalschätzung verwendet.
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Erfindungsgemäß ist bei verschiedenen Datenpaketen die Pilotsequenz an unterschiedlichen Stellen im Datenpaket anstelle des Beginns des Datenpakets angeordnet. Anders ausgedrückt befindet sich die Pilotsequenz nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt am Anfang eines jeden Datenpakets, sondern kann an verschiedenen Stellen im Datenpaket angeordnet sein. Hierbei handelt es sich nach wie vor um eine einheitliche Pilotsequenz, d. h. die Pilotsequenz wird nicht aufgeteilt. Sie kann sich jedoch bei verschiedenen Datenpaketen an unterschiedlichen Stellen befinden.
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Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit für Pilotkollisionen reduziert werden. Dies gilt insbesondere bei "Slotted Random Access-Verfahren, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen.
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Wie im weiteren gezeigt, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine verbesserte Verwendung von „succesive interference cancellation"-Verfahren (SIC) oder „maximum ratio combining“ (MRC).
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In bevorzugter Ausführungsform können für verschiedene Sender unterschiedliche Pilotsequenzen verwendet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass in einem Random Access-Verfahren die Sender keine Replikas Ihrer Datenpakete senden. In dieser Ausführungsform kann ein Sender seine Pilotsequenz durch ein Zufallsverfahren an jeder beliebigen Position in seinem Datenpaket platzieren.
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Weiterhin ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass sofern ein Sender seine Pilotsequenz mittig, d.h. nicht am Anfang oder am Ende eines Datenpakets platziert, seine Nutzdaten aufgeteilt werden und ihr erster Teil vor der Pilotsequenz und ihr zweiter Teil nach der Pilotsequenz platziert wird. Hierbei entspricht die Länge P der Pilotsequenz und die Länge D der Nutzdaten der Gesamtlänge L des Datenpakets.
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In einer alternativen Ausführungsform in einem Random Access-Verfahren, bei dem die Sender keine Replikas ihrer Datenpakete senden, darf ein Sender seine Pilotsequenz ausschließlich an festgelegten Positionen innerhalb des Datenpakets platzieren.
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Diese festgelegten Positionen können im Vorhinein bestimmt werden oder durch Verwendung eines Seed oder eines Algorithmus, der durch das System ausgewählt wird, bestimmt werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Auswahl aus den festgelegten Positionen zufällig oder gemäß einer festgelegten Regel erfolgt.
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In einem Random Access-Verfahren, in dem Sender Replikas ihrer Datenpakete senden, ist es möglich, dass jede Replika Ihre Pilotsequenz an der selben Position aufweist.
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Alternativ ist es in einem Random Access-Verfahren, in dem Sender Replikas ihrer Datenpakete senden, möglich, dass jede Replika ihre Pilotsequenz an einer anderen Position aufweist.
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Der erstgenannte Ansatz führt zu einer Reduzierung der empfängerseitigen Komplexität, beispielsweise wenn ein SIC-Verfahren angewandt wird. Wenn dagegen in jeder Replika die Pilotsequenz an unterschiedlichen Positionen angeordnet ist, kann dies vorteilhaft für die Anwendung eines „maximum ratiocombining“-Verfahrens sein, da ein weiterer Teil des Interferenzsignals bekannt ist.
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Grundsätzlich weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile auf:
- Es ist möglich eine Kanalschätzung vorzunehmen, wenn verschiedene Sender die selben Pilotsequenzen in den selben Slots senden. Weiterhin ist es möglich die Anzahl der Interferenzen zu bestimmen.
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Eine Schätzung der Anzahl der Interferenten in einem bestimmten Zeitschlitz kann durch Zählen der Anzahl der Präambeln (minus eine), die in diesem Zeitschlitz entdeckt wurden, durchgeführt werden. Wenn alle Nutzer eine andere Position für die Übertragung der Präambel gewählt haben, ist die genaue Anzahl der Störer bekannt. Die Wahrscheinlichkeit, die genaue Anzahl der Interferenten zu erhalten, steigt mit zunehmender Paketlänge und geringerer Verkehrsbelastung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden in verschiedenen Szenarios unabhängig von der Anzahl der verwendeten Antennen im System. Es ist anwendbar sowohl in der terrestrischen als auch in der Sattelitenkommunikation und kann bei unterschiedlichen Paketgrößen angewandt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Sender zum Senden von Daten über einen Übertragungskanal zu einem Empfänger mit einer Steuerung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Die Anordnung einer Pilotsequenz in einem Datenpaket gemäß dem Stand der Technik
- 2: Ein Slotted Random Access-Verfahren gemäß dem Stand der Technik
- 3: Beispiele für die erfindungsgemäße Anordnung einer Pilotsequenz
- 4: Ein beispielhaftes Slotted Random Access-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
- 5 und 6: Weitere Möglichkeiten für die Anordnung von Pilotsequenzen gemäß der vorliegenden Erfindung
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In 1 ist dargestellt, wie gemäß dem Stand der Technik eine Pilotsequenz am Anfang eines Datenpakets angeordnet wird. Die Pilotsequenz befindet sich hierbei für alle Sender an der gleichen Position am Anfang des Datenpakets.
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Die damit einhergehende Problematik ist in 2 dargestellt. Es ist erkennbar, dass Nutzer 2 und 4 die selbe Pilotsequenz zum selben Zeitpunkt verwenden. Die Pilotsequenz kann somit nicht für eine Kanalschätzung verwendet werden, da beide Nutzer Ihre Datenpakete in Slot 3 und 5 übertragen.
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In 3 ist dargestellt, wie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Pilotsequenz bei vier verschiedenen Datenpaketen an unterschiedlichen Positionen im Datenpaket platziert werden kann. Der daraus entstehende Vorteil ist in 4 dargestellt. Erneut übermitteln Nutzer 2 und 4 in Slot 3 und 5. Jedoch kann eine Interferenz der Pilotsequenzen dadurch vermieden werden, dass sich diese an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Datenpakete befinden, so dass der Empfänger für beide Nutzer eine Kanalschätzung durchführen kann.
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Im folgenden werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, um die Pilotsequenz an unterschiedlichen Positionen im Datenpaket zu platzieren.
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Es wird davon ausgegangen, dass der „burst“ eines Nutzers b=[b_1,...,b_L] die Länge L aufweist und b_i die Positionen des i-ten Elements (d.h. Symbol, bit) angibt. Die Pilotsequenz hat die Länge P während die Nutzdaten die Länge D aufweisen. Es gilt: L=P+D.
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Wenn ein Nutzer Daten zu übertragen hat, finden die folgenden Schritte statt: Eine Pilotsequenz wird gemäß einer durch das Protokoll vorgegebenen Regel zugewiesen. Solche Regeln sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden nicht näher beschrieben. Anschließend kann die Pilotsequenz mit den Nutzdaten gemäß den folgenden Verfahren zusammengesetzt werden:
- Zunächst einmal werden Verfahren betrachtet, die in Random Access-Protokollen ohne die Generierung von Replikas verwendet werden können:
- In Verfahren A platziert jeder Sender seine Pilotsequenz zufällig im Datenpaket. Dies kann gemäß einer gleichmäßigen Verteilung oder jeder anderen möglichen Wahrscheinlichkeitsverteilung erfolgen. Die Platzierung der Pilotsequenz erfolgt zwischen den Positionen b1 und bL-p. Geht man davon aus, dass sich das erste Element der Pilotsequenz in Position bx befindet, dann wird sich das letzte Element in der Position bx+P befinden. Wenn bx nicht identisch mit bL-p ist, dann werden die Nutzdaten in zwei Teile aufgeteilt. Ihr erster Teil wird beginnend mit Position b1 am Anfang des Datenpakets platziert und erstreckt sich bis bx-1. Der zweite Teil beginnt in Position bx+P+1 und endet in Position bL. Wenn bx gleich bL-p dann werden die Nutzdaten von b1 bis bL-P-1 platziert.
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Gemäß Verfahren B ist es auch möglich, dass ein Sender seine Pilotsequenz ausschließlich an festgelegten Positionen im Datenpaket platzieren darf. Dies ist in 5 dargestellt, wo erkennbar ist, dass dem ersten Sender drei mögliche Positionen zur Verfügung stehen (α = 3), während dem zweiten Sender zwei mögliche Positionen (β = 2) zur Verfügung stehen. In dieser Ausführungsform verwenden die beiden Nutzer unterschiedliche Pilotsequenzen. Es ist zu beachten, dass α = β sein kann und die Pilotsequenzen die selbe Position im Datenpaket aufweisen können.
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Gemäß einem weiteren Verfahren C sind ebenfalls die möglichen Positionen der Pilotsequenzen innerhalb des Datenpakets festgelegt. Dies ist in 6 dargestellt. Hier verwenden die beiden Sender dieselben Pilotsequenzen.
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Bei einem Random Access-Protokoll mit Replikagenerierung kann für die drei genannten Verfahren A, B und C jede Replika ihre Pilotsequenz an der selben Position aufweisen oder aber an unterschiedlichen Positionen. Dies ist mit jeweiligen Vor- und Nachteilen verbunden, die bereits dargestellt wurden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. H. Sorensen and E. de Carvalho, „Pilot decontamination through pilot sequence hopping in massive MIMO systems,“ 2014 IEEE Global Communications Conference, 2014, pp. 3285-3290, doi: 10.1109/GLOCOM.2014.7037313 [0008]
- H. Yin, D. Gesbert, M. Filippou and Y. Liu, „A Coordinated Approach to Channel Estimation in Large-Scale Multiple-Antenna Systems,“ in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 31, no. 2, pp. 264-273, February 2013, doi: 10.1109/JSAC.2013.130214 [0008]
- J. H. Sorensen, E. de Carvalho, Ö. Stefanovic and P. Popovski, „Coded Pilot Random Access for Massive MIMO Systems,“ in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 17, no. 12, pp. 8035-8046, Dec. 2018, doi: 10.1109/11NC.2018.2873400 [0008]
- J. Jose, A. Ashikhmin, T. L. Marzetta and S. Vishwanath, „Pilot Contamination and Precoding in Multi-Cell TDD Systems,“ in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 8, pp. 2640-2651, August 2011, doi: 10.1109/TWC.2011.060711.101155 [0008]
