DE10393682B4

DE10393682B4 - Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung

Info

Publication number: DE10393682B4
Application number: DE10393682T
Authority: DE
Inventors: Michael Lewis
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: US20040111663A1; JP2006506002A; JP4372688B2; CN1736050A; CN100438393C; AU2003276792A1; WO2004042991A1; US7162682B2; DE10393682T5

Abstract

Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, wobei jede Nachricht einen Kopfteil umfasst, der Rahmenlängeninformationen enthält, einen Datenteil und eine Rahmenprüffolge, mit folgenden Schritten: An einer Sendevorrichtung: a) Einfügen von Lücken in den Datenteil und die Rahmenprüffolge des Rahmens, b) Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils, um die Länge des Rahmens einschließlich der Lücken und einer zukünftigen äußeren Rahmenprüffolge widerzuspiegeln, c) Anwenden eines Verwürfelungsalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens, d) Anwenden eines Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des im Schritt c) verwürfelten Rahmens zum Erzeugen von Vorwärtsfehlerkorrekturdaten, e) Einfügen der erzeugten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten in die Lücken, f) Erzeugen einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge und Einschließen derselben in dem Rahmen, g) Übertragen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der äußeren Rahmenprüffolge, An einer Empfangsvorrichtung: h) Empfangendes verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge,...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Datenübertragungssysteme mit Paketvermittlung und insbesondere ein Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in drahtlosen Paketvermittlungs-Ortsnetzen, wo verbesserter Fehler schutz erwünscht ist und dabei Rückwärtskompatibilität zu Vorläufervorrichtungen aufrechterhalten wird.
Stand der Technik
Protokollschichtsysteme und der Standard 802.11 für drahtlose LAN
Datenkommunikationssysteme werden häufig als ein sogenanntes Protokollschichtsystem beschrieben, bei dem die Folgen von zum Betreiben des Systems erforderten Aufgaben in als Schichten bekannte logisch verwandte Gruppen gruppiert sind. Konzeptmäßig weisen höhere Schichten eine höhere Abstraktionsebene auf, z. B. die Benutzeranwendungen liegen auf der höchsten Schicht während die zur Übertragung der Daten, beispielsweise über die Luft oder über einen Kupferdraht, verantwortlichen Schaltungen auf der untersten Schicht liegen.
Ein Beispiel dafür ist der Standard 802.11 für drahtlose Ortsnetze (WLAN – wireless local area network), der in vereinfachter Form in der 1 dargestellt ist. Das 802.11-Protokollschichtsystem ist in die sogenannte MAC-Schicht (medium access control) und die sogenannte PHY-Schicht (physikalische Schicht) aufgeteilt. Wenn eine Sendevorrichtung sendet, entnimmt die MAC-Schicht der Vorrichtung Nachrichten aus der darüberliegenden Schicht, stellt ihnen Adressierungs- und Steuerungsinformationen voran und hängt Fehlerprüfinformationen an und bestimmt, dass das drahtlose Medium frei ist und gibt die erweiterte Nachricht an die PHY-Schicht der Sendevorrichtung weiter. Von der PHY-Schicht werden die Daten zur Übertragung formatiert, PHY-spezifische Informationen (z. B. ein Vorspann und Übertragungsrateninformationen) hinzugefügt, die Daten moduliert und auf die Antenne übertragen. An einer Empfangsvorrichtung werden die übertragenen Daten von der Partner-PHY-Schicht empfangen, die PHY-spezifischen Informationen benutzt und die Nachricht auf MAC-Ebene zur MAC-Schicht weitergegeben Hier wird die empfangene Nachricht auf Fehler überprüft und wenn die Nachricht an die in Frage stehende Vorrichtung adressiert ist, werden die Daten zur höheren Schicht hinauf geleitet.
Einer der Vorteile dieser logischen Organisation in getrennte Schichten besteht darin, dass für eine einzelne Schicht spezifische Funktionen hinzugefügt oder erweitert werden können und dabei Kompatibilität zu anderen Schichten im System aufrechterhalten werden kann, und unterschiedliche physikalische Schichten implementiert werden können Beispielsweise werden im ursprünglichen WLAN-Standard 802.11 über Funk- oder Infrarot-Verbindungen funktionierende PHY-Schichten definiert, während die Erweiterung nach 802.11a des Standards 802.11 eine höhere Rate von Datenübertragung (bis zu 54 Mbp/s) über eine Funkstrecke anbietet. Auf der MAC-Schicht bietet der Standardentwurf 802.11e eine Anzahl von Erweiterungen für das MAC-Grundprotokoll 802.11, um einen besseren Durchsatz und bessere Planung von Datenabgabe zu unterstützen.
2a zeigt den Grundaufbau eines über die PHY-Schicht ausgetauschten 802.11-MAC-Datenrahmens. Die ersten 32 Byte des Datenrahmens sind der MAC-Kopfteil, der Steuerungs- und Adressierungsinformationen einschließlich der gesamten Übertragungsdauer des Rahmens enthält (die von der Länge und der Übertragungsrate abhängig ist). Es folgt dann ein Datenfeld mit veränderlicher Länge, das die eigentliche Nachricht enthält. Abschließend wird am Datenrahmen eine Rahmenprüffolge (FCS – frame check sequence) genannte zyklische Redundanz prüfsumme mit 4 Byte berechnet und angehängt. Dies erteilt dem Empfänger die Möglichkeit, zu erkennen, ob bei der Übertragung ein Fehler aufgetreten ist.
Vorwärtsfehlerkorrektur
Der Entwurf 802.11e enthielt in einer Stufe seiner Entwicklung einen Vorschlag zur Implementierung von Fehlerschutzcodierung auf der MAC-Schicht. Diese (Vorwärtsfehlerkorrektur bzw. FEC – forward error correction genannte) Fehlerschutzcodierung ist ein Standardverfahren, bei dem den Daten ein bekannter Betrag an Redundanz so zugefügt wird, dass eine Anzahl von Übertragungsfehlern am Empfänger codiert werden kann. Dies ist von großer Wichtigkeit bei Dienstgüteanwendungen (quality-of-service applications), da durch Verringern der Wahrscheinlichkeit von Paketfehlern die Durchschnittszahl an erforderlichen Wiederholungen verringert wird und dadurch zur Verringerung der Durchschnittsverzögerung bei der Übertragung beigetragen wird.
Ein Schlüsselaspekt des Vorschlags war die Rückwärts kompatibilität: Aus Protokollgründen ist es wichtig, dass Stationen ohne FEC-Kenntnis in der Lage sind, den MAC Kopfteil zu empfangen und zu decodieren. Die vorgeschlagene Lösung war das in 2b gezeigte Rahmenformat. Zuerst wird eine Rahmenprüffolge über den Kopfteil und die Daten berechnet und an den Rahmen angehängt. Dies wird die FEC FCS genannt, da sie nur von Stationen mit FEC-Kenntnis zur Erkennung von Fehlern nach der Decodierung benutzt wird.
Dem Rahmen Werden unter Verwendung von Reed-Solomon-Codierung eine Anzahl von 16-Byte-FEC-Blöcken über den Rahmen ein schließlich der inneren FEC FCS hinzugefügt. Der erste dieser Blöcke tritt nach dem MAC-Kopfteil auf: Dies bedeutet, dass aus der Sicht einer Station ohne FEC-Kenntnis die FEC-Information Teil des Datenrahmens ist und nicht ausgewertet wird. Abschließend wird der Rahmen so behandelt, als wenn er ein Nicht-FEC-Datenrahmen wäre und es wird eine äußere FCS berechnet. Dadurch können Stationen ohne FEC-Kenntnis bestimmen, ob sie den Rahmen richtig empfangen haben (und daher die Kopfteilinformationen nutzen können, da dies alles ist, was sie anbetrifft).
Wechselwirkung mit der PHY-Schicht 802.11a
Die hochratige PHY-Schicht von 802.11a bietet Datenraten von bis zu 54 Mbps, die im 5-GHz-Funkband arbeiten. Bei dem PHY Standardentwurf 802.11g wird ein im wesentlichen identisches Modulationsformat im 2,4-GHz-Funkband benutzt und so gelten die hier besprochenen Fragen für den Hauptteil neuer WLAN-Geräte nach IEEE 802.11, wenn versucht wird, aus FEC auf MAC Ebene Nutzen zu ziehen.
Die PHY-Schicht 802.11a nimmt den Rahmen auf MAC-Schicht und führt Verwürfelungan den Daten durch, damit die Eigenschaften der übertragenen modulierten Folge unabhängig von der übertragenen Nachricht werden. In 3 ist die im Standard 802.11a spezifizierte Verwürfelerschaltung dargestellt und besteht aus einem Schieberegister mit linearer Rückkopplung, dessen. Ausgang mit den ankommenden Daten exklusiv geODERt wird. Die erzeugte Folge wird einmalig durch den Anfangszustand der Verzögerungselemente D1–D7 definiert, der als der Anfangswert für den Verwürfeler bekannt ist. Vom Standard wird definiert, dass dieser Anfangswert für jede übertragene Nachricht auf einen Pseudozufallszustand von nicht Null eingestellt werden sollte.
Am Empfänger muss derselbe Anfangswert in die Verzögerungselemente eingeladen werden. Die gleiche Folge kann dann am Empfänger erzeugt und mit dem ankommenden Datenstrom exklusiv geODERt und damit die Ursprungsdaten wiedergewonnen werden.
Um dies zu ermöglichen wird der Nachricht eine Folge von 7 Null-Bit vorangestellt (gefolgt von 9 Bit, deren Verwendung für zukünftige Ergänzungen des Standards reserviert ist). Das gesamte vorangestellte 16-Bit-Feld wird das Dienstfeld (service field) genannt. Da bekannt ist, dass die Ursprungsdaten für die anfänglichen 7 Bit Null sind, ist es möglich, den Anfangszustand des Verwürfelers aus der übertragenen Folge abzuleiten.
Es ist klar, dass die richtige Funktionsweise der Konstruktion davon abhängig ist, diese 7 Bit erfolgreich zu empfangen, um den Verwürfeler richtig initialisieren zu können. Wenn der Verwürfeler falsch initialisiert ist, wird die gesamte nachfolgende Nachricht verfälscht, da die falsche Folge erzeugt wird. Als der ursprüngliche Standard 802.11a formuliert wurde, war in der MAC-Schicht keine Fehlerkorrektur vorgeschlagen worden und diese Fortpflanzung von Fehlern war daher unbedeutend: irgendein Fehler würde bedeuten, dass die Nachricht verworfen wurde. Wenn man jedoch versucht, Fehlerkorrektur auf MAC-Ebene zu implementieren, wird durch diese Fehlerfortpflanzung das Niveau an Fehlerkorrektur, das bei mittleren bis hohen Signal-Rausch-Verhältnissen möglich ist, stark begrenzt. Grundsätzlich wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Rahmen verworfen werden muss, durch die Wahrscheinlichkeit überragt, dass ein oder mehrere Bitfehler in der 7-Bit-Verwürfeler Initialisierungsfolge auftreten, anstatt der Wahrscheinlichkeit eines Fehlers, der nicht korrigiert werden kann.
Die Unterschiede sind graphisch in 4 dargestellt: Die durchgezogene Linie zeigt die Wahrscheinlichkeit, dass für eine gegebene grundlegende Bitfehlerrate mehr als 8 Oktettfehler in einem gegebenen Block von 224 auftreten (d. h. die Wahrscheinlichkeit eines FEC-Ausfalls), in der Annahme, dass Bitfehler unabhängig voneinander sind. Die gestrichelte Linie zeigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein oder mehrere Fehler im Verwürfelerinitialisierungsfeld auftreten (die Wahrscheinlichkeit eines Verwürfelerausfalls). Es ist klar, dass bei grundlegenden Bitfehlerraten von mehr als ca. 10^–2,7 die Möglichkeit eines Ausfalls der FEC (mehr als 8 Oktettfehler in jedem gegebenen FEC-Block mit 224 Oktetts) größer als die Möglichkeit eines Fehlers in den 7 Bit des Verwürfelerfehlers ist. Wenn jedoch die grundlegende Bitfehlerrate abnimmt, sollte die sich theoretisch ergebende Bitfehlerrate bei FEC schnell sehr gering werden, aber dies geschieht aufgrund des Fehlerfortpflanzungsproblems beim Entwürfeler nicht.
Für die PHY von 802.11b sind die Daten ebenfalls verwürfelt. In diesem Fall wird ein sogenannter selbstsynchronisierender Verwürfeler benutzt, was den Vorteil besitzt, dass der entsprechende Entwürfeler sich automatisch nach einer Anzahl richtig empfangener Informationsbit zum sendenden Verwürfeler synchronisiert, ohne dass der Verwürfeleranfangswert getrennt übertragen werden muss. Bei einem Übertragungsfehler muss jedoch diese Synchronisation wiederum stattfinden, was dazu führt, dass mehr Fehler am Ausgang des Verwürfelers erscheinen als am Eingang erschienen.
Bei typischen Anwendungen, wo Vorwärtsfehlerkorrektur auf MAC-Ebene gewünscht wird, wie beispielsweise der Verteilung von Audio- und Video-Datenströmen ist die tolerierbare Bitfehlerrate allgemein gering. Der Unterschied zwischen der theoretischen Leistung vom FEC-System und der durch Verwürfeler-Fehlerfortpflanzung verursachten Grenze, besonders bei 802.11a, bedeutet, dass eine höhere Sendeleistung oder eine geringere Reichweite akzeptiert werden muss, um in diesen Fallen ein gegebenes Leistungsniveau aufrechtzuerhalten.
Die von der für den Standardentwurf 802.11e verantwortlichen Arbeitsgruppe gemachten Bemerkungen bestanden im Grunde dar in, dass Fehlerschutzcodierung am besten in der PHY-Schicht resident ist. Der Grund dafür liegt darin, dass es dann möglich ist, den Fehlerschutzcodierungsbit nach Durchführung der Verwürfelung der Daten durchzuführen und damit Übertragungsfehler (einschließlich von Fehlern im übertragenen Verwürfeleranfangswert) zu korrigieren, ehe Entwürfelung und mögliche Fehlerfortpflanzung auftritt. Solche Abänderungen lagen außerhalb der Auftragsstellung der Arbeitsgruppe für 802.11e. Jede derartige Modifikation würde auch das zusätzliche Erfordernis mit sich führen, dass Vorrichtungen ohne FEC-Kenntnis, z. B. solche, die eine standardkonforme 802.11a- oder 802.11b-PHY-Schicht benutzen) in der Lage sein müssen, mindestens den MAC-Kopfteil zu empfangen und richtige Übertragung über die FCS zu bestimmen. Es gibt jedoch gegenwärtig keine bekannten Lösungen für Fehlerschutzcodierung auf der PHY-Schicht.
Die Schwierigkeit, Fehlerschutzcodierung auf der PHY-Schicht einzubauen liegt darin, sicherzustellen, dass gegenwärtige standardkonforme (Vorläufer-)Vorrichtungen in der Lage sind, den Kopfteil der Nachricht richtig zu entschlüsseln und zu bestimmen, ob der Rahmen richtig empfangen wurde.
Es besteht daher ein Erfordernis eines Verfahrens, das Fehlerschutzcodierung mit verringertem Risiko einer Fehlerfortpflanzung ermöglicht und gleichzeitig Vorläufervorrichtungen ermöglicht, zumindest den Kopfteil des Rahmens decodieren zu können.
US 6,349,138 B1 beschreibt ein Verfahren zur Fehlerschutzkodierung für eine paketvermittelnde Datenübertragung mit einer Rahmenstruktur mit variabler Dateienlänge (d. h. Aktualisierung der Längeninformation im Header ist erforderlich). Senderseitig wird eine Vorstatzfehlerkorrektur (FIC) auf Teile der zuvor einen Verwürfelungsalgorythmus unterworfenen Daten angewendet.
In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschriften EP 1 202515 A2 sowie CA 2273522 A1 verwiesen, die weitere Verfahren zur Fehlerschutzkodierung für eine paketvermittelnde Datenübertragung beschreiben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, insbesondere in einem drahtlosen Paketvermittlungs-Ortsnetz bereitzustellen, das gegenüber dem in Druckschrift US 6,349,138 B1 beschriebenen Verfahren optimiert ist.
Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren gemäß
Patentanspruch 1 erreicht, d. h. einem Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, wobei jede Nachricht einen Kopfteil umfasst, der Rahmenlängeninformationen enthält, einen Datenteil und eine Rahmenprüffolge, mit folgenden Schritten:
An einer Sendevorrichtung:

a) Einfügen von Lücken in den Datenteil und die Rahmenprüffolge des Rahmens,
b) Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils, um die Länge des Rahmens einschließlich der Lücken und einer zukünftigen äußeren Rahmenprüffolge widerzuspiegeln,
c) Anwenden eines Verwürfelungsalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens,
d) Anwenden eines Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des im Schritt c) verwürfelten Rahmens zum Erzeugen von Vorwärtsfehlerkorrekturdaten,
e) Einfügen der erzeugten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten in die Lücken,
f) Erzeugen einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge und Einschließen derselben in dem Rahmen,
g) Übertragen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der äußeren Rahmenprüffolge,

h) Empfangen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge,
i) Überprüfen, ob die verwürfelte äußere Rahmenprüffolge fehlerfrei ist oder nicht,
j) wenn ja, Entfernen der äußeren Rahmenprüffolge, Entfernen der Vorwartsfehlerkorrekturdaten, Entwürfeln des Rahmens, Entfernen der Lücken und Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert,
k) wenn nein, Entfernen der äußeren Rahmenprüffolge, Anwenden eines auf den eingefügten Vorwartsfehlerkorrekturdaten basierenden Fehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rests des Rahmens, Entfernen der eingefügten Vorwartsfehlerkorrekturdaten, Entwürfeln des Rahmens, Entfernen der eingefügten Lücken und aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren gemäß Patentanspruch 3 bereitgestellt, d. h. ein Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, wobei jede Nachricht einen Kopfteil umfasst, der Rahmenlängeninformationen enthält, und einen Datenteil und eine Rahmenprüffolge, mit folgenden Schritten:
An einer Sendevorrichtung:

a) Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils, um eine zukünftige Erweiterung der Länge des Rahmens zu erlauben,
b) Anwenden eines Verwürfelungsalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens,
c) Anwenden eines Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des im Schritt b) verwürfelten Rahmens zum Erzeugen von Vorwärtsfehlerkorrekturdaten,
d) Einfügen der erzeugten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten in den Datenteil und die Rahmenprüffolge des verwürfelten Rahmens,
e) Erzeugen einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge und Einschließen derselben in dem Rahmen,
f) Übertragen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der äußeren Rahmenprüffolge,

g) Empfangen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge,
h) Überprüfen, ob die verwürfelte äußere Rahmenprüffolge fehlerfrei ist oder nichts,
i) wenn ja, Entfernen der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, Entfernen der Vorwärtsfehlerkorrekturdaten aus dem Rahmen, Entwürfeln des Rahmens und Wiederherstellen der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert
j) wenn nein, Entfernen der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, Anwenden eines Fehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens auf Grundlage der Vorwärtsfehlerkorrekturdaten, Entfernen der eingefügten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten aus dem Rahmen, Entwürfeln des Rahmens und Wiederherstellen der Längeninformationen des Kopfteils in ihren Ursprungswert.

Um vollen Nutzen aus Fehlerschutzcodierung zu gewinnen, ist es notwendig, den Fehlerschutzcodierungsschritt zwischen dem Verwürfeln des Rahmens und der Übertragung von einer Sendevorrichtung durchzuführen, und Fehler zwischen Empfang und Entwürfelung von einer Empfangsvorrichtung zu korrigieren. Um jedoch Rückwärtskompatibilität aufrechtzuerhalten ist es ebenfalls notwendig, dass der richtige Empfang des gesamten Pakets durch eine herkömmliche Vorrichtung nach 802.11 überprüft werden kann und dass das Kopfteilfeld durch eine solche Vorrichtung decodiert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird ausführlicher unten unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
1 ein Beispiel eines 802.11-WLAN-Protokollschichtsytems,
2a ein herkömmliches 802.11-MAC-Rahmenformat,
2b ein 802.11e-FEC-MAC-Rahmenformat,
3 einen 802.11a-PHY-Verwürfeler,
4 die Wahrscheinlichkeit von Paketfehlern aufgrund von Verwürfelerausfall und FEC-Ausfall,
5 ein Flussdiagramm eines bekannten Verfahrens an einem Sender und einem Empfänger für herkömmliche 802.11-PHY-Schicht,
6 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 unterschiedliche Stufen an einer Sendevorrichtung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung einer äußeren Rahmenprüffolge gemäß der Erfindung,
9 die unterschiedlichen Stufen an einer Empfangsvorrichtung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
10 ein Flussdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Erfindung
Das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines ähnlichen Aufbaus für die Fehlerschutzcodierung veranschaulicht, wie bei dem Standardentwurf 802.11e vorgeschlagen wurde, aber dieser Aufbau ist auf keine Weise erforderlich; der erfindungsgemäße Teil besteht darin, wie ein allgemeiner Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus nach Verwürfelung ohne Beeinträchtigung der Kompatibilität zu 802.11 Vorläufervorrichtungen auf einen Rahmen auf der PHY-Schicht angewandt werden kann. In 5 ist die an einem Rahmen durch eine herkömmliche 802.11-PHY-Schicht durchgeführte Folge dargestellt, wo der Einfachheit halber solche Aufgaben wie Voranstellen von Verwürfeleranfangswert auf einer 802.11a-PHY-Schicht oder einer Vorspannfolge für eine 802.11b-PHY Schicht unter der allgemeinen Überschrift Datenformatierung eingeschlossen sind.
In Bezug auf 6–10 sind zwei verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung beschrieben. Die erste Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Durchführung und Erzeugung der äußeren FCS etwa leichter ist, während die zweite Ausführungsform den Vorteil aufweist, daß die Durchführung der Entwürfelung in einem System 11b etwas leichter ist.
In 6 ist ein Flussdiagramm der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Wirkung der verschiedenen Stufen des Verfahrens an einer Sendevorrichtung an dem Rahmen sind in 7 dargestellt (wobei als Beispiel eine 802.11e-gleiche FEC-Struktur dargestellt wird, jedoch kann beinahe jeder beliebige FEC-Algorithmus angewandt werden).
An der Sendevorrichtung
Die PHY-Schicht einer Sendevorrichtung empfängt und formatiert einen herkömmlichen 802.11-Rahmen von der MAC-Schicht einschließlich eines Kopfteils (der Rahmenlängeninformationen enthält), eines Datenteils und der FCS (bzw. FEC-FCS). Bei 802.11a (oder anderen, auf 802.11a beruhenden PHY-Standards) muss dem Kopfteil auch das 16-Bit-Service-Feld (nur Nullen) vorangestellt sein, damit der Entwürfelerinitialisierungswert durch den Fehlerschutzcode geschützt werden kann. Es ist möglich, und kann auch wünschenswert sein, andere durch die PHY-Schicht zugefügte Felder zu schützen.
Nach dem Kopfteil des Rahmens beginnend wird der Rahmen durch Lückenbildung oder Einfügung von Lücken in den Rahmen erweitert, um etwa gewünschte zusätzliche FEC-Informationen aufzunehmen. Diese Lücken für die FEC-Informationen können willkürlich verteilt sein; zusätzlich ist es möglich, als Teil der Anwendung von FEC auf die Informationen nach dem Kopfteil Verschachtelung durchzuführen, um die FEC-Leistung weiter zu verbessern und möglicherweise den Kopfteil zum weiteren Schutz zu verdoppeln. Der Deutlichkeit halber zeigt 7 eine einfache Verteilung von FEC-Daten als blockweise Prüfsummen, was dem früheren FEC-Vorschlag 802.11e ähnelt.
Um die Auswertung durch Vorläufervorrichtungen zu erlauben, werden die Längeninformationen im Kopfteil des Rahmens dann aktualisiert, um der Länge des Rahmens einschließlich der eingefügten Lücken für die FEC-Informationen zu entsprechen und die Einfügung einer äußeren Rahmenprüffolge zu er möglichen. Der so erweiterte Rahmen wird danach entsprechend dem für die PHY Schicht der Sendevorrichtung definierten standardmäßigen Verwürfelungsverfahren verwürfelt. Dabei wird auf mindestens einen Teil des Rahmens ein gewählter Verwürfelungsrhythmus angewandt, wodurch ein verwürfelter Rahmen erreicht wird. Bei einem 802.11a-System wird nur ein sehr kleiner Teil der PHY-spezifischen Kopfteilinformationen verwürfelt (das Service-Feld mit nur Nullen). Bei einem 802.11b System wird der gesamte Rahmen einschließlich des Vorspanns verwürfelt.
Dann wird ein FEC-Algorithmus auf mindestens einen Teil des verwürfelten Rahmens angewandt, wodurch FEC-Daten erzeugt werden, die danach in die vordem eingefügten Lücken eingesetzt werden: Wenn auch eine Verschachtelung der Daten durchgeführt wird, kann sich die Lage dieser Lücken während des Vorgangs ändern.
Abschließend wird die sogenannte äußere Rahmenprüffolge (OFCS – outer frame check sequence) erzeugt. Diese OFCS ist als die definiert, die berechnet werden würde, wenn der Rahmen durch einen Nicht-FEC-PHY-Empfänger entwürfelt werden würde. Dann wird die OFCS verwürfelt und in den verwürfelten Rahmen eingesetzt oder daran angehängt. Ein möglicher Vorgang zum Erzeugen dieser OFCS ist in 8 dargestellt: Es ist zu beachten, dass jeder Vorgang, der einen FCS-Wert bereitstellt, der bei richtigem Empfang des Rahmens durch einen Empfänger ohne FEC-Kenntnis mit dem durch diese Empfangsvorrichtung berechneten Wert übereinstimmt, anwendbar ist. Bei einer praktischen Implementierung ist es zur Verbesserung des Wirkungsgrades möglich, das Erzeugen der äußeren Rahmenprüffolge mit dem Vorgang des Verwürfelns und Erzeugens der FEC-Daten zu kombinieren.
Der Vorgang des Erzeugens einer erfindungsgemäßen OFCS nach der Darstellung im Flussdiagramm der 8 wird unten beschrieben. Der verwürfelte Rahmen wird durch Anwenden eines bekannten Entwürfelungsalgorithmus auf den Rahmen einschließlich der FEC-Daten entwürfelt. Es wird eine OFCS über mindestens einen Teil des entwürfelten Rahmens einschließlich der FEC-Daten berechnet und danach in den entwürfelten Rahmen eingesetzt oder daran angehängt. Abschließend wird der entwürfelte Rahmen einschließlich der OFCS verwürfelt. Dadurch wird ein verwürfelter Rahmen mit einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge erzielt, der von Vorrichtungen ohne FEC Kenntnis ausgewertet werden kann.
An der Empfangsvorrichtung
Das Empfangsverfahren an der Empfangsvorrichtung ist ebenfalls in 6 dargestellt, wobei die Auswirkung der verschiedenen Stufen des Verfahrens in 9 dargestellt ist. Die Empfangsvorrichtung beginnt wahlweise durch Entwürfeln des empfangenen Rahmens und Überprüfen der OFSC (so wie es in einer Vorrichtung ohne FEC-Kenntnis, geschehen würde, oder in einem System mit FEC-Kenntnis, das die geringe Wahrscheinlichkeit von Übertragungsfehlern zu nutzen wünscht, um den Fehlerkorrekturschritt für richtig empfangene Rahmen zu über springen), oder durch sofortiges Verwerfen der OFCS (wie in einer Vorrichtung mit FEC-Kenntnis geschehen würde, die die OFCS-Prüfstufe nicht durchzuführen wünscht).
Die erste Option des Verfahrens in 6 und 7 gemäß der Erfindung wird durch Berechnen einer FCS über den entwürfelten Rahmen außer der OFCS und nachfolgendes Vergleichen der zwei Werte durchgeführt. In diesem Schritt kann die Empfangsvorrichtung den Fehlerkorrekturmechanismus umgehen und den für fehlerfreie Pakete erforderlichen Verarbeitungsaufwand reduzieren, was in fehlerarmen Umgebungen ein bedeutendes Ersparnis sein wird. Die OFCS kann dann aus dem verwürfelten Rahmen verworfen werden, da die innere FCS oder FEC FCS den Erfolg oder Nichterfolg der Decodierung der Daten anzeigen wird.
Wenn bestimmt wurde, dass die OFCS fehlerhaft war oder die OFCS ohne überprüft zu werden verworfen wurde, dann wird ein gewählter Fehlerkorrekturmechanismus an mindestens einem Teil des Rests des verwürfelten Rahmens aufgerufen. Dieser Fehler korrekturmechnismus beruht auf den eingefügten FEC-Daten. Der sich ergebende (hoffentlich fehlerfreie) Rahmen wird dann gemäß den für die PHY-Schicht der Empfangsvorrichtung definierten zutreffenden Mechanismus entwürfelt. Bei einem 802.11b-Entwürfeler oder irgendeinem sonstigen synchronisierenden Entwürfeler ist es notwendig, den richtigen Entwürfelerzustand nach den FEC-Daten zu berechnen. Dies kann durch Ersetzen der eingefügten FEC-Daten durch eine verwürfelte Form der an der Sendevorrichtung eingefügten Lückendaten durchgeführt werden. Die auf die Lückendaten in jedem Fall anzuwendende Verwürfelungsfolge kann leicht aus den Daten unmittelbar vor der Lücke bestimmt werden.
Die vorher in den Rahmen an der Sendevorrichtung eingesetzten Lücken werden dann für entweder eine fehlerfreie OFCS oder eine fehlerhafte OFCS oder eine ungeprüfte OFCS verworfen; und die Längeninformationen im Kopfteil werden wieder auf ihren Ursprungswert eingestellt. An dieser Stelle ist das Ergebnis ein 802.11-konformer MAC-Rahmen mit einer eingesetzten FCS, die zur MAC-Schicht der Empfangsvorrichtung gesendet werden kann.
In 10 ist ein Flussdiagramm der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen einer Sendevorrichtung und einer Empfangsvorrichtung dargestellt
An der Sendevorrichtung
Ähnlich der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform empfängt die PHY-Schicht der Sendevorrichtung einen herkömmlichen 802.11-Rahmen von der MAC-Schicht einschließlich des Kopfteils, der Daten und der FCS (der FEC-FCS). Bei 802.11a (oder sonstigen, auf 802.11a beruhenden PHY-Standards) muss dem Kopfteil auch das 16-Bit-Service-Feld (nur Nullen) vorangestellt sein, damit der Entwürfelerinitialisierungswert durch den Fehlerschutzcode geschützt werden kann. Es ist möglich und kann wünschenswert sein, andere durch die PHY-Schicht zugefügte Felder ebenfalls zu schützen.
Um eine zukünftige Erweiterung des Rahmens durch Einfügung an Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und einer äußeren Rahmenprüffolge (OFCS) zu ermöglichen, wird das Längenfeld des Kopfteils des empfangenen Rahmens aktualisiert Der Rahmen mit dem aktualisierten Kopfteil wird dann gemäß dem für die PHY-Schicht der Sendevorrichtung gewählten standardmäßigen Verwürfelungsalgorithmus verwürfelt.
Auf den verwürfelten Rahmen wird ein vorbestimmter FEC Algorithmus angewandt, wodurch FEC-Daten erzeugt werden Diese Daten werden in den Datenteil und die FEC-FCS des verwürfelten Rahmens eingefügt. Danach wird eine OFCS erzeugt und auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Darstellung in 5 in den verwürfelten Rahmen eingesetzt. Der Vorgang des Erzeugens der OFCS ist mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform nach der Darstellung in 8 identisch.
Abschließend wird der verwürfelte Rahmen übertragen.
An der Empfangsvorrichtung
In 10 ist auch das Empfangsverfahren der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Empfangsvorrichtung kann auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wahlweise durch Entwürfeln des empfangenen Rahmens und Überprüfen der OFCS (wie bei einer Vorrichtung ohne FEC-Kenntnis geschehen würde) oder durch sofortiges Verwerfen der OFCS beginnen.
Der erste Fall des Entwürfelns des empfangenen Rahmens und 1 Überprüfens der OFCS wird auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Wenn bestimmt wird, dass die OFCS fehlerfrei ist, wird die OFCS verworfen und die eingefügten FEC-Daten werden entfernt und der Rahmen wird entwürfelt.
Wenn bestimmt wurde, dass die OFCS fehlerhaft waren oder die OFCS vollständig ohne Überprüfung verworfen wurde, wird ein gewählter Fehlerkorrekturmechanismus am Rest des verwürfelten Rahmens aufgerufen. Infolgedessen werden die eingefügten FEC Daten entfernt und der (hoffentlich fehlerfreie) Rahmen wird entsprechend dem für die PHY-Schicht der Empfangsvorrichtung definierten zutreffenden Mechanismus entwürfelt.
Für beide Fälle einer überprüften fehlerfreien OFCS oder einer überprüften fehlerhaften OFCS oder einer ungeprüften OFCS werden die Längeninformationen im Kopfteil abschließend in ihrem Ursprungswert wiederhergestellt und der Rahmen wird neu formatiert und zur MAC-Schicht der Empfangsvorrichtung weitergeleitet.
Empfangsverfahren durch jede Vorrichtung ohne FEC-Fähigkeit
Für eine Empfangsvorrichtung ohne FEC-Fähigkeit, die den übertragenen Rahmen abhört, gemäß einer jeweiligen der beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, erscheint der erweiterte MAC-Rahmen als ein gültiger 802.11-MAC-Rahmen mit richtigem Kopfteil, einem Datenteil und einer gültigen Rahmenprüffolge. Da der Datenteil an keiner anderen Empfangsvorrichtung als dem Zielempfänger ausgewertet wird, ist der zusätzliche FEC-Vorgang unsichtbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch an einer Vorrichtung durchgeführt werden, bei der die Kenntnis des Aufbaus des FEC-Rahmens vorgesehen ist, die sich aber entscheidet, den Fehlerkorrekturalgorithmus nicht zu implementieren: Eine solche Vorrichtung konnte die Daten in einem solchen Rahmen decodieren, könnte aber nicht die verbesserte Robustheit gegen Fehler nutzen (und würde in der Tat aufgrund des längeren erweiterten Rahmens eine etwas höhere Fehlerrate aufweisen). Dies würde beispielsweise bei einer kostengünstigen Vorrichtung nützlich sein, die Datenrundsendung mit angewandter Fehlerschutzcodierung empfangen möchte.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet einen Mechanismus zur Aufnahme einer Vorwärtsfehlerkorrektur in die PHY-Schichten von 802.11a/g und 802.11b bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Rückwärtskompatibilität auf der Protokollebene zu Vorrichtungen, die das Verfahren nicht implementieren (d. h. alle Stationen können die Protokollspezifischen Teile des Rahmens decodieren, aber nur Vorrichtungen mit FEC-Fähigkeit können den Datenteil des Rahmens decodieren). Dieses Verfahren könnte in einer proprietären Lösung benutzt werden oder könnte die Grundlage für eine neue Erweiterung des Standards IEEE 802.11 bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein auf jedes Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, ob drahtlos oder anders, anwendbar, wo gewünscht wird, PHY-Schicht-Fehlerschutz hinzuzufügen und dabei Rückwärtskompatibilität hinsichtlich der Decodierung von protokollspezifischen (d. h. Nicht-Daten-)Teilen von übertragenen Paketen aufrechtzuerhalten.

Claims

Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, wobei jede Nachricht einen Kopfteil umfasst, der Rahmenlängeninformationen enthält, einen Datenteil und eine Rahmenprüffolge, mit folgenden Schritten: An einer Sendevorrichtung: a) Einfügen von Lücken in den Datenteil und die Rahmenprüffolge des Rahmens, b) Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils, um die Länge des Rahmens einschließlich der Lücken und einer zukünftigen äußeren Rahmenprüffolge widerzuspiegeln, c) Anwenden eines Verwürfelungsalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens, d) Anwenden eines Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des im Schritt c) verwürfelten Rahmens zum Erzeugen von Vorwärtsfehlerkorrekturdaten, e) Einfügen der erzeugten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten in die Lücken, f) Erzeugen einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge und Einschließen derselben in dem Rahmen, g) Übertragen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der äußeren Rahmenprüffolge, An einer Empfangsvorrichtung: h) Empfangendes verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, i) Überprüfen, ob die verwürfelte äußere Rahmenprüffolge fehlerfrei ist oder nicht, j) wenn ja, Entfernen der äußeren Rahmenprüffolge, Entfernen der Vorwartsfehlerkorrekturdaten, Entwürfeln des Rahmens, Entfernen der Lücken und Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert, k) wenn nein, Entfernen der äußeren Rahmenprüffolge, Anwenden eines auf den eingefügten Vorwartsfehlerkorrekturdaten basierenden Fehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rests des Rahmens, Entfernen der eingefügten Vorwartsfehlerkorrekturdaten, Entwürfeln des Rahmens, Entfernen der eingefügten Lücken und aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge das Entwürfeln des verwürfelten Rahmens einschließlich der Vorwartsfehlerkorrekturdaten, Berechnen einer äußeren Rahmenprüffolge über mindestens einen Teil des Rahmens einschließlich der berechneten äußeren Rahmenprüffolge im unverwürfelten Rahmen und Wiederverwürfeln des Rahmens mit der äußeren Rahmenprüffolge umfasst.
Verfahren zur Fehlerschutzcodierung und -decodierung von Nachrichten in einem Datenübertragungssystem mit Paketvermittlung, wobei jede Nachricht einen Kopfteil umfasst, der Rahmenlängeninformationen enthält, und einen Datenteil und eine Rahmenprüffolge, mit folgenden Schritten: An einer Sendevorrichtung: a) Aktualisieren der Längeninformationen des Kopfteils, um eine zukünftige Erweiterung der Länge des Rahmens zu erlauben, b) Anwenden eines Verwürfelungsalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens, c) Anwenden eines Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des im Schritt b) verwürfelten Rahmens zum Erzeugen von Vorwärtsfehlerkorrekturdaten, d) Einfügen der erzeugten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten in den Datenteil und die Rahmenprüffolge des verwürfelten Rahmens, e) Erzeugen einer verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge und Einschließen derselben in dem Rahmen, f) Übertragen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der äußeren Rahmenprüffolge, An einer Empfangsvorrichtung: g) Empfangen des verwürfelten Rahmens mit den Vorwärtsfehlerkorrekturdaten und der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, h) Überprüfen, ob die verwürfelte äußere Rahmenprüffolge fehlerfrei ist oder nichts, i) wenn ja, Entfernen der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, Entfernen der Vorwärtsfehlerkorrekturdaten aus dem Rahmen, Entwürfeln des Rahmens und Wiederherstellen der Längeninformationen des Kopfteils auf ihren Ursprungswert j) wenn nein, Entfernen der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge, Anwenden eines Fehlerkorrekturalgorithmus auf mindestens einen Teil des Rahmens auf Grundlage der Vorwärtsfehlerkorrekturdaten, Entfernen der eingefügten Vorwärtsfehlerkorrekturdaten aus dem Rahmen, Entwürfeln des Rahmens und Wiederherstellen der Längeninformationen des Kopfteils in ihren Ursprungswert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Erzeugens der verwürfelten äußeren Rahmenprüffolge das Entwürfeln des verwürfelten Rahmens mit der Vorwärtsfehlerkorrektur, Berechnen einer äußeren Rahmenprüffolge über mindestens einen Teil des Rahmens einschließlich der berechneten äußeren Rahmenprüffolge im unverwürfelten Rahmen und Wiederverwürfeln des Rahmens mit der äußeren Rahmenprüffolge umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Schritte auf einer physikalischen Protokollschicht der Übertragungsvorrichtung bzw. der Empfangsvorrichtung durchgeführt werden.