DE60124568T2

DE60124568T2 - Hybrid-arq-verfahren für paketdatenübertragung

Info

Publication number: DE60124568T2
Application number: DE60124568T
Authority: DE
Inventors: Erik Dahlman; Stefan Parkvall; Pal Frenger
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: ATE345617T1; DE60124568D1; EP1317811B1; WO2002023792A1; ES2276815T3; EP1317811A1; AU2001284612A1; US6977888B1; TW536896B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Datenkommunikationen und insbesondere die zuverlässige Datenlieferung in einem Datenkommunikationssystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In digitalen Datenkommunikationssystemen ist es üblich, dass Datenpakete über einen Kommunikationskanal übertragen werden, der durch Fehler beeinträchtigt werden kann, z.B. wenn eine Kommunikation in gefährlichen Umgebungen ausgeführt wird. Drahtlose Funkkommunikationen werden oft in einer besonders gefährlichen Umgebung ausgeführt. Der Funkkanal ist einer Vielzahl von beeinträchtigenden Faktoren ausgesetzt, einschließlich Rauschen, sich schnell ändernden Kommunikationskanal-Charakteristiken, einem Mehrwege-Schwund, und einer Zeitdispersion, die eine Symbolzwischenstörung, und eine Störung von benachbarten Kanalkommunikationen verursachen können.
Es gibt zahlreiche Techniken, die von einem Empfänger verwendet werden können, um derartige Fehler zu erfassen. Ein Beispiel einer Fehlererfassungstechnik ist die altbekannte zyklische Redundanzüberprüfung (Cyclic Redundancy Check; CRC). Andere Techniken, die in Paketdatenkommunikationen verwendet werden, verwenden fortgeschrittenere Typen von Blockcodes oder Faltungscodes, um sowohl eine Fehlererfassung als auch eine Fehlerkorrektur zu erreichen. Für sowohl eine Fehlererfassung als auch eine Fehlerkorrektur wird eine Kanalcodierung angewendet, die Redundanz zu den Daten hinzufügt. Wenn die Information über den Kommunikationskanal empfangen wird, werden die empfangenen Daten unter Verwendung der Redundanz decodiert, um zu erfassen, ob die Daten durch Fehler beeinträchtigt worden sind. Je mehr Redundanz in eine Dateneinheit eingebaut wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass Fehler genau erfasst werden können, und in einigen Fällen unter Verwendung eines Vorwärtsfehlerkorrektur-(Forward Error Correcting; FEC)-Verfahrens korrigiert werden können. In einem reinen FEC Verfahren ist der Fluss von Information unidirektional und der Empfänger sendet nicht Information zurück an den Sender, wenn ein Paketdecodierungsfehler auftritt.
In vielen Kommunikationssystemen, einschließlich drahtlosen Kommunikationen, ist es wünschenswert, einen zuverlässigen Datenlieferungsdienst zur Verfügung zu haben, der eine Lieferung von Dateneinheiten, die von einer Maschine gesendet werden, an eine andere ohne eine Duplizierung von Daten oder einen Datenverlust garantiert. Die meisten von derartigen zuverlässigen Datenlieferungsprotokollen verwenden eine grundlegende Neuübertragungstechnik, wo der Empfänger der Daten an den Sender der Daten mit Bestätigungen und/oder negativen Bestätigungen antwortet. Diese Technik ist gewöhnlicherweise als eine Transaktionsverarbeitung mit einer automatischen Wiederholungsaufforderung (Automatic Repeat Request; ARQ) bekannt. Codierte Datenpakete werden von einem Sender an einen Empfänger über einen Kommunikationskanal gesendet. Unter Verwendung der Fehlererfassungsbits (der Redundanz), die in dem codierten Datenpaket enthalten ist, wird jedes empfangene Datenpaket von dem Empfänger verarbeitet, um zu bestimmen, ob das Datenpaket richtig empfangen oder durch Fehler zerstört bzw. beeinträchtigt wurde. Wenn das Paket richtig empfangen wurde, sendet der Empfänger ein Bestätigungs-(ACK)-Signal an den Sender. Wenn der Empfänger Fehler in dem Paket erfasst, kann er auch eine explizite negative Bestätigung (NACK) an den Sender senden. Wenn die NACK empfangen wird, kann der Sender das Paket erneut übertragen. In einem reinen ARQ System wird der Kanalcode nur für eine Fehlererfassung verwendet.
In einem hybriden ARQ (HARQ) werden Merkmale eines reinen FEC Verfahren und eines reinen ARQ Verfahrens kombiniert. Fehlerkorrektur- und Fehlererfassungs-Funktionen werden zusammen mit einer ACK/NACK-Rückkopplungssignalisierung ausgeführt. Der Signalcode in einem hybriden ARQ Verfahren kann sowohl für eine Fehlerkorrektur als auch eine Fehlererfassung verwendet werden. Alternativ können zwei getrennte Codes verwendet werden: Einer für eine Fehlerkorrektur und einer für eine Fehlererfassung. Ein NACK-Signal wird zurück an den Sender gesendet, wenn ein Fehler nach einer Fehlerkorrektur erfasst wird. Das fehlerhaft empfangene Datenpaket in diesem ersten Typ des hybriden ARQ Systems wird verworfen.
Ein effizienteres hybrides ARQ Verfahren besteht darin, das fehlerhaft empfangene und negativ bestätigte Datenpaket zu speichern und dieses dann in irgendeiner Weise mit der erneuten Übertragung zu kombinieren. Hybride ARQ Verfahren, die eine Paketkombinierung verwenden, werden als hybrides ARQ mit einem Kombinieren bezeichnet. In einem hybriden ARQ Kombinierverfahren kann die „Neuübertragung" eine identische Kopie des ursprünglichen Pakets sein. Wenn die Neuübertragung identisch zu der ursprünglichen Übertragung ist, werden die individuellen Symbole von mehreren Paketen kombiniert, um ein neues Paket zu bilden, welches aus zuverlässigeren Symbolen besteht. Alternativ kann die Neuübertragung eine inkrementale Redundanz (Incremental Redudancy; IR) verwenden. Bei der IR Paket-Kombinierung werden zusätzliche Paritätsbits übertragen, was den Fehlerkorrekturcode leistungsfähiger als und im allgemeinen überlegen gegenüber einer identischen Paketkombinierung macht.
Es gibt systematische und nicht-systematische FEC Kanalcodierer. Eine systematische Codierung erzeugt Codewörter durch Anhängen von redundanten bits, die manchmal als Paritätsbits bezeichnet werden, an einen Block von Informationsbits. Ein nicht-systematischer Codierer bildet einen Satz von Informationsbits auf einen vollständig anderen Satz von codierten Bits ab. Eine Klasse von leistungsfähigen systematischen Codes ist Turbo-Codes. Ein Turbo-Codierer verwendet wenigstens zwei rekursive Faltungscodierer, die von einem Verschachteler (Interleaver) getrennt sind. Informationsbits werden direkt an den ersten Codierer und über den Verschachteler an den zweiten Codierer gesendet. Die Turbo-codierten Codewörter umfassen die ursprünglichen Informationsbits (z.B. die systematischen Bits) und zusätzliche Paritätsbits von den ersten und zweiten codierern. Weil die systematischen Bits sowohl in dem ersten als auch in den zweiten Codierer verwendet werden, sind die systematischen Bits für den Decodierer an dem Empfänger wichtiger als die Paritätsbits. In der Tat, wenn die systematischen Bits verloren werden, kann es für den Decoder unmöglich sein, die Datenpakete selbst dann richtig zu decodieren, wenn eine wesentliche Anzahl von Paritätsbits danach empfangen werden.
Sowohl systematische als auch nicht-systematische Codes können für den FEC Code in einem hybriden ARQ mit Kombinierungs Verfahren verwendet werden. Jedoch kann die Verwendung einer IR Paket-Kombinierung schwieriger zum Kombinieren mit einem Kanalcode sein, bei dem unterschiedliche Codebits unterschiedliche Wichtigkeit für den Codierer haben. Die Verwendung von Turbo-Codes und einer IR Kombinierung ist beispielsweise problematisch, weil dann, wenn ein neues Datenpaket zum ersten Mal übertragen wird, sämtliche systematischen Bits bei der ersten Übertragung enthalten sind, was ein gutes Betriebsverhalten des TurboDecoders sicherstellt. Bei der IR Paket-Kombinierung enthalten irgendwelche Neuübertragungen Paritätsbits, aber nicht die systematischen Bits. Es gibt ein Problem, wenn der Empfänger vollständig die ursprüngliche Übertragung nicht erhält oder die ursprüngliche Übertragung so zerstört wird, dass sie für den Decoder nutzlos ist. Weil nachfolgende Neuübertragungen zusätzlicher Paritätsbits ohne die systematischen Bits enthält, kann das Datenpaket unter Umständen nicht richtig decodiert werden. Wenn der Kanal höchst unzuverlässig ist, z. B. ein Funkkanal, kann das Szenarium mit dem verlorenen ursprünglichen Paket relativ oft auftreten, was eine große Anzahl von unnötigen Neuübertragungen und Verzögerungen, die zu einem verringerten Wirkungsgrad und verringertem Durchsatz führen, verursachen.
Beispiele von Neuübertragungssystemen unter Verwendung einer Fehlerkorrektur von Datenpaketen sind in der WO 98/05140 oder EP-A-0703685 gezeigt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in einem Paketdaten-Kommunikationssystem den Durchsatz zu erhöhen und die Verzögerung zu verringern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes und flexibleres hybrides ARQ Verfahren bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Probleme zu beseitigen, die dann auftreten, wenn ein hybrides ARQ mit einer Paket-Kombinierung Verfahren über einen unzuverlässigen Kommunikationskanal verwendet wird, wenn codierte Bits für eine Decodierung wichtiger als andere codierte Bits sind.
Bei Datenpaket-Übertragungen zwischen einem Sender und einem Empfänger umfasst ein Datenpaket einen ersten Typ von Bits und einen zweiten Typ von Bits. In der bevorzugten Ausführungsform ist der erste Typ von Bits wichtiger für die Decodierung des Datenpakets an dem Empfänger als der zweite Typ von Bits. Zum Beispiel kann der erste Typ von Bits tatsächliche Informationsbits oder systematische Bits (tatsächliche Informationsbits plus andere Bits, wie Endbits) enthalten, während der zweite Typ von Bits Paritätsbits einschließen kann. Ohne die tatsächlichen Informationsbits kann es relativ schwierig oder sogar unmöglich, das Datenpaket lediglich unter Verwendung der Paritätsbits richtig zu decodieren. Wenn ein Paket von dem Empfänger negativ bestätigt wird, überträgt der Sender die Information erneut, die bei einem nachfolgenden Decodierungsbetrieb an dem Empfänger verwendet werden soll. Eine derartige Neuübertragung umfasst den zweiten Typ von Bits. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Neuübertragung auch den ersten Typ von Bits genauso umfassen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Bits des zweiten Typs ohne die Bits des ersten Typs neu übertragen.
Wenn ein Datenpaket als fehlend oder in einer anderen Weise wesentlich zerstört erfasst wird, wird ein LOST (Verloren) Signal an den Sender gesendet, und nicht eine negative Bestätigung. Im Ansprechen auf das LOST Signal sendet der Sender eine erste Neuübertragung an den Empfänger, mit den Datenbits des ersten Typs in dem Paket, und vorzugsweise auch genauso mit den Bits des zweiten Typs. Diese erste Neuübertragung wird decodiert, und wenn sie nicht erfolgreich ist, wird eine negative Bestätigung an den Sender gesendet. Im Ansprechen auf die negative Bestätigung sendet der Sender in einer bevorzugten Ausführungsform eine zweite Neuübertragung, die Bits des zweiten Typs ohne Bits des ersten Typs einschließt. In einer anderen Ausführungsform werden beide Typen von Bits erneut übertragen.
Ein beispielhafter Empfänger umfasst eine Sende/Empfangs-Schaltungsanordnung zum Empfangen eines codierten Datenpakets, das über einen Kommunikationskanal gesendet wird. Ein ursprünglich gesendetes, codiertes Datenpaket umfasst Bits sowohl des ersten als auch des zweiten Typs. Wenn die Abwesenheit eines erwarteten Pakets erfasst wird, sendet die Paketverarbeitungs-Schaltungsanordnung ein LOST Signal an den Sender. Eine Neuübertragung des erwarteten Pakets, mit wenigstens den Bits des ersten Typs und möglicherweise auch den Bits des zweiten Typs, wird decodiert. Wenn ein empfangenes codiertes Datenpaket wesentlich zerstört ist, kann zusätzlich auch ein LOST Signal an den Sender gesendet werden. Die Paketverarbeitungs-Schaltungsanordnung umfasst einen Puffer zum Speichern einer empfangenen Paketinformation, einen Kombinierer zum Kombinieren von gepufferter Information mit neu übertragener (neu gesendeter) Information, einen Decoder zum Decodieren eines Ausgangs des Kombinierers und einen Controller zum Erneuern des Betriebs des Puffers, Kombinierers und Decodierers. In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform führen der Puffer und der Kombinierer einen implementalen Redundanzbetrieb aus. Wenn eine Decodierung der ersten Neuübertragung nicht erfolgreich ist, aber angenommen wird, dass die empfangenen Daten bei nachfolgenden Decodierungsversuchen nützlich sind, dann wird eine negative Bestätigung an den Sender gesendet. Im Ansprechen darauf wird eine zweite Neuübertragung empfangen mit einem Satz des zweiten Typs von Bits, entweder mit oder ohne dem ersten Typ von Bits, in Abhängigkeit von der Implementierung.
Ein beispielhafter Sender umfasst einen Signalprozessor zum Verarbeiten von Daten, die gesendet werden sollen und zum Erzeugen von entsprechenden systematischen Bits und Paritätsbits. Ein Kombinierer empfängt selektiv die systematischen und/oder Paritätsbits von dem Signalprozessor und erzeugt ein codiertes Datenpaket. Die Sende/Empfangsschaltungsanordnung sendet das codierte Datenpaket über den Kommunikationskanal. Ein Controller steuert, welche Bits von dem Kombinierer gewählt werden, um das kombinierte Datenpaket zu erzeugen, und zwar auf Grundlage des Rückkopplungssignals von dem Empfänger. Wenn eine negative Bestätigung empfangen wird, werden Paritätsbits entsprechend zu den systematischen Bits über den Kanal an den Empfänger erneut übertragen. Wenn (1) ein LOST Signal empfangen wird, oder (2) keine Bestätigung oder keine negative Bestätigung für ein codiertes Datenpaket empfangen wird, werden die systematischen Bits und möglicherweise einige Paritätsbits über den Kommunikationskanal an den Empfänger gesendet. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die systematischen Bits zusammen mit einem Satz von Paritätsbits erneut übertragen, die ursprünglich mit den systematischen Bits übertragen wurden. Alternativ werden die systematischen Bits erneut mit einem Satz von Paritätsbits übertragen, die sich von denjenigen unterscheiden, die ursprünglich übertragen wurden. Nach der ersten Neuübertragung im Ansprechen auf (1) oder (2), wird dann, wenn der Sender eine negative Bestätigung im Ansprechen auf die erste Neuübertragung empfängt, ein Satz von Paritätsbits, die zu den systematischen Bits gehören, mit oder (vorzugsweise) ohne den systematischen Bits erneut übertragen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich einfacher unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm eines ARQ Verfahrens, das eine erfolgreiche Übertragung eines Pakets bei dem ersten Versuch zeigt;
2 ein Diagramm eines hybriden ARQ Verfahrens mit einer Kombinierung eines identischen Pakets;
3 ein hybrides ARQ Verfahren mit einer vollständigen IR Paket-Kombinierung;
4 ein hybrides ARQ Verfahren mit einer teilweisen IR Paket-Kombinierung;
5 ein hybrides ARQ Verfahren mit einer vollständigen IR Paket-Kombinierung, bei der die ursprüngliche Paketübertragung verloren ist;
6 ein hybrides ARQ Verfahren mit einer teilweisen IR Paket-Kombinierung, bei der eine verlorene ursprüngliche Paketübertragung wiederhergestellt wird;
7 ein hybrides ARQ Verfahren mit einer vollständigen IR Paket-Kombinierung, bei der eine verlorene ursprüngliche Paketübertragung wiederhergestellt wird;
8 ein Diagramm, welches ein Kommunikationssystem zeigt, das ein hybrides ARQ Verfahren für eine Paketdatenübertragung verwendet, bei der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
9 ein Flussdiagramm, das die Prozedur für eine beispielhafte Implementierung der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 eine ausführlicheres Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften hybriden ARQ Senders;
11 ein ausführlicheres Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften hybriden ARQ Empfängers;
12 einen Graph, der das Betriebsverhalten von verschiedenen hybriden ARQ Verfahren darstellt;
13 ein Funkkommunikationssystem, bei dem die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden kann; und
14 in einem Blockformat einen Turbo-Codierer.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung werden für eine Erläuterung und nicht zur Beschränkung spezifischer Einzelheiten aufgeführt, wie besondere Ausführungsformen, Prozeduren, Techniken etc., um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Jedoch wird für Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet offensichtlich sein, dass die vorliegenden Erfindung in anderen Ausführungsformen umgesetzt werden kann, die von diesen spezifischen Einzelheiten abweichen. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung in jedem Datenkommunikationssystem zwischen irgendeinem Datensender und irgendeinem Datenempfänger implementiert werden, z. B. siehe 8. Eine spezifische nicht-beschränkende Anwendung der Erfindung besteht bei einem CDMA Funkkommunikationssystem, z. B. siehe 13.
In einigen Fällen werden ausführliche Beschreibungen von altbekannten Verfahren, Schnittstellen, Einrichtungen und Signalisierungstechniken weggelassen, um so die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten. Ferner sind individuelle Funktionsblöcke in einigen der Figuren gezeigt. Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die Funktionen unter Verwendung von individuellen Hardware-Schaltungen, unter Verwendung einer Software, die in Verbindung mit einem geeignet programmierten digitalen Mikroprozessor oder einem Allzweckcomputer arbeitet, unter Verwendung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit; ASIC), und/oder unter Verwendung von ein oder mehreren Digitalsignalprozessoren (Digital Signal Processors; DSPs) implementiert werden können.
1 zeigt ein Beispiel einer erfolgreichen Datenpaketübertragung in einem Versuch. In 1 und verschiedenen nachfolgenden Figuren (2-7) stellen die Boxen in der oberen Zeile eine Datenpaketübertragung von dem Sender zu dem Empfänger dar und die Boxen in der unteren Zeile stellen eine Übertragung einer Rückkopplungsinformation von dem Empfänger zurück an den Sender dar. Bei Kanal-codierten Kommunikationen, die nachstehend beschrieben werden, umfassen die Bits, die das n-te Datenpaket bilden, zwei Gruppen von Bits, die mit S_n und P_n bezeichnet sind. Die Bits in der Gruppe S_n sind für den Decodierungsprozess in dem Empfänger wichtiger als die Bits in der Gruppe P_n. Zum Beispiel kann die Gruppe S_n sämtliche systematischen Bits von einem Codierer umfassen, und P_n kann sämtliche Paritätsbits von dem gleichen Codierer umfassen. Die Gruppe P_n ist weiter in die Untergruppen P_n1, P_n2, P_n3 ... aufgeteilt, die Paritätsbits darstellen, die bei dem ersten, dem zweiten, dem dritten Übertragungsversuch jeweils übertragen werden. Die Untergruppen P_n,k, k = 1, 2, 3 etc. können beispielsweise durch eine unterschiedliche Punktierung des Satzes von allen Paritätsbits P_n erzeugt werden. In 1 umfasst die erste Übertragung des ersten Datenpakets die Bits in den Gruppen S₁ und P_1,1. Nach einer bestimmten Verzögerung, die durch den Vorwärtskanal eingeführt wird, erreicht das Paket den Empfänger, der dieses decodiert. Wenn die Fehlererfassung in dem Empfänger bestimmt, dass das Datenpaket richtig empfangen wird, wird ein ACK Signal zurück an den Sender gesendet. Nach einer bestimmten Verzögerung, die durch den Rückwärtskanal eingeführt wird, empfängt der Sender das ACK Signal, und das nächste Datenpaket wird gesendet, welches aus den Datenbits in S, und P_2,1 besteht.
2 zeigt das Prinzip eines hybriden ARQ Verfahrens mit einer identischen Paketkombinierung. Jedes Mal, wenn der Sender ein NACK Signal von dem Empfänger empfängt, überträgt er die gleichen Bits erneut. Wenn die ursprüngliche Übertragung die Bits in S₁ und P_1,1 einschließt, dann schließen somit sämtliche Neuübertragungen S₁ und P_1,1 ein. Der Empfänger kombiniert die ursprüngliche Übertragung mit sämtlichen Neuübertragungen, um einen zuverlässigeren Satz von empfangenen Symbolen zu bilden. Schließlich wird das Paket richtig decodiert und der Empfänger sendet ein ACK Signal zurück an den Sender.
3 zeigt das Prinzip eines hybriden ARQ Verfahrens mit einer inkrementalen Redundanz(Incremental Redundancy; IR) Paket-Kombinierung. Jedes Mal, wenn der Sender ein NACK Signal von dem Empfänger empfängt, sendet der Sender einen neuen Satz von Bits, die mit P_1,k (k = 2, 3, ...) bezeichnet werden. Zum Beispiel bestehen die Bits P_1,2 bei der zweiten Übertragung nur aus den zusätzlichen Paritätsbits, die von dem FEC Decoder in dem Empfänger verwenden werden. Der FEC Decoder in dem Empfänger verwendet die systematischen und die Paritätsbits, die bei dem ersten Versuch übertragen werden (S₁ und P_1,1) und die Paritätsbits, die bei der ersten Neuübertragung übertragen werden (P_1,2). Unter der Annahme, dass die systematischen Bits empfangen werden, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass der Decoder ein Paket unter Verwendung einer größeren Anzahl von Paritätsbits decodiert, insbesondere in gefährlichen Umgebungen. In diesem Beispiel ist die Anzahl von Paritätsbits in P_1,2 im allgemeinen viel größer als in P_1,1, weil Bits von der Gruppe S₁ nicht übertragen werden, wenn P_1,2 übertragen wird. Schließlich wird das Paket richtig decodiert und der Empfänger sendet ein ACK Signal zurück an den Sender.
4 zeigt ein hybrides ARQ Verfahren mit einer teilweisen inkrementalen Redundanz-(IR)-Paket-Kombinierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei werden die Eigenschaften von beiden Typen einer Kombinierung, die in 2 und 3 dargestellt sind, verwendet. Jedes Mal, wenn der Sender ein NACK Signal von dem Empfänger empfängt, überträgt er erneut die gleichen Bits von S₁, aber ein neuer Satz von Paritätsbits P_1,k (k = 2, 3, ...) wird für jede neue Übertragung gewählt. Der Empfänger kombiniert die verschiedenen Übertragungen der Bits in S₁, um sie zuverlässiger zu machen, und der FEC Decoder verwendet die Bits in den unterschiedlichen Paritätsbit-Sätzen P_1,k (k = 2, 3 ...), um die Fehlerkorrekturfähigkeit des FEC Decoders zu verbessern. Schließlich wird das Paket richtig decodiert, und der Empfänger sendet ein ACK Signal zurück an den Sender.
Die in den 2-4 dargestellten hybriden ARQ Paket-Kombiniersysteme weisen Vorteile und Nachteile auf. Zum Beispiel erfordert ein hybrides ARQ Verfahren mit einem Kombinieren von identischen Paketen weniger Empfängerpufferspeicher als die zwei IR Kombinierverfahren. Wenn eine ursprüngliche Übertragung mit einer identischen Neuübertragung in dem Empfänger kombiniert wird, kann das kombinierte Ergebnis in dem gleichen Puffergebiet wie demjenigen, das der Empfänger zum Speichern der ursprünglichen Übertragung verwendet hat, gespeichert werden. Da das Ergebnis nach einem Kombinieren zuverlässiger als das alte gespeicherte Ergebnis aus der ursprünglichen Übertragung ist, wird die alte Information nicht mehr benötigt. Für IR Kombinier-Verfahren enthält die erneute Übertragung jedoch eine neue Paritätsinformation, die getrennt von der alten Information gespeichert werden muss. Ein Hauptnachteil mit dem hybriden ARQ Verfahren mit dem Kombiniersystem für identische Pakete in 2 weist ein schlechteres Betriebsverhalten im Vergleich mit den anderen beiden Verfahren auf. Das in 3 gezeigte Verfahren weist potentiell das beste Betriebsverhalten der drei Verfahren im Hinblick auf den Durchsatz und die Verzögerungscharakteristiken der übertragenen Datenpakete auf. Jedoch tritt ein Nachteil des vollständigen IR Verfahrens auf, wenn die ursprüngliche Paketübertragung den Empfänger nicht erreicht. Die fehlgeschlagene ursprüngliche Paketübertragung ist in 5 dargestellt. Alternativ kann die Qualität der ursprünglichen Übertragung so schlecht sein, dass sie an den FEC Decoder nutzlos ist. In beiden Fällen werden die wichtigen Bits in der Gruppe S₁ (z.B. die systematischen Bits von einem Codierer) nicht erneut übertragen. Die Neuübertragungen in 3 und 5 umfassen Bits nur von der weniger wichtigen Gruppe von Bits P₁ (z. B. die Paritätsbits von einem systematischen Codierer). Eine große Anzahl von Neuübertragungen wird benötigt, weil es schwierig sein kann, das Datenpaket zu decodieren, ohne wenigstens einige der wichtigen Bits in der Gruppe S, empfangen zu haben.
Im Gegensatz dazu löst das hybride ARQ-Teil-IR-Verfahren, das in 4 gezeigt ist, dieses Problem von verlorenen Paketen. Wie in 6 gezeigt, ist das hybride ARQ-Teil-IR-Verfahren robuster als das hybride ARQ-Voll-IR-Verfahren, weil es die Situation beseitigt, wenn die ursprüngliche Übertragung verloren geht oder wesentlich gestört wird. Die Neuübertragungen in diesem Verfahren umfassen die Bits in S₁ und für jede Neuübertragung eines neuen Satzes von Paritätsbits P_1,k (k = 2, 3, ...). Da der Decoder die wichtigen Bits, z. B. S₁, in der Neuübertragung empfängt, kann das Paket decodiert werden. Weil jede Neuübertragung jedoch relativ wenige Redundanzbits enthält, wird die entsprechende Codierungsverstärkung im Vergleich mit derjenigen eines vollständigen IR Verfahrens verringert, wenn die Neuübertragungen nur Redundanzbits umfassen. Somit wird das Betriebsverhalten und der Wirkungsgrad in dem Teil-IR-Verfahren hinsichtlich der Robustheit bei der Behandlung von Neuübertragungen von verlorenen Paketen abgewogen.
Eine andere Lösung für das Übertragungsproblem von im wesentlichen verlorenen/zerstörten ursprünglichen Paketen ist in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, die in 7 gezeigt ist. Wenn der Empfänger ein Datenpaket nicht empfängt oder das empfangene Datenpaket stark gestört ist, sendet der Empfänger ein LOST (VERLOREN) Signal (d. h. nicht ein NACK, und auch nicht ein ACK Signal) zurück an den Sender. Das LOST Signal triggert den Sender, die wichtigeren Bits in der Gruppe S₁ bei der folgenden Neuübertragung und vorzugsweise (obwohl nicht notwendigerweise) Bits aus der weniger wichtigen Gruppe P₁, z. B. P_1,1, einzuschließen. Wenn der Empfänger entscheidet, dass das empfangene Datenpaket nützlich ist, aber Fehler noch in dem Decoderausgang erfasst werden, sendet der Empfänger andererseits ein NACK Signal zurück an den Sender. Das NACK Signal triggert den Sender, eine Neuübertragung mit Bits aus der weniger wichtigen Gruppe P₁, z. B. P_1,2, zu senden, ohne die wichtigeren Bits, z. B. S₁ einbauen zu müssen. In dieser Weise genießt jede Neuübertragung eine größere Codierungsverstärkung als die Lösung in 4. Sobald das Datenpaket erfolgreich von dem Empfänger empfangen wird, wird ein ACK Signal zurück an den Sender gesendet, was eine Übertragung des nächsten Datenpakets triggert. Eine Interpretation des NACK und des LOST Signals ist, dass der Empfänger eine NACK sendet, um nach einer Neuübertragung zu fragen, die hauptsächlich zusätzliche, weniger wichtige Bits enthält, und ein LOST Signal sendet, um nach einer Neuübertragung zu fragen, die hauptsächlich die wichtigen Bits enthält.
In der Ausführungsform der 7 verwendet das hybride ARQ Verfahren, welches eine vollständige IR Paket-Kombinierung einschließt, drei Rückkopplungsantworten: ACK, NACK oder LOST. Wenn der Empfänger nicht erfasst, dass der Sender ein Datenpaket gesendet hat, oder dieses nicht decodieren kann, kann eine alternative Antwort von dem Empfänger eine stille sein, anstelle dass ein LOST Signal für einfache ARQ Verfahren, wie Stopp- und Warten ARQ, gesendet wird. Der Empfänger interpretiert eine Abwesenheit einer Antwort von dem Sender als ein LOST Signal und dies triggert den Sender, das Paket erneut zu übertragen. Dieser Ansatz verringert die Signalisierung auf der Rückwärtsstrecke von dem Empfänger an den Sender, wenn nur die ACK und NACK Antworten verwendet werden. Für ausgefeiltere ARQ Verfahren, z.B. N zurückgehen und selektive Wiederholung (go-back-N und selected repeat), kann jedoch das Senden eines LOST Signals für ein besonders identifiziertes Paket wünschenswert oder erforderlich sein.
Das hybride ARQ Verfahren mit einer vollständigen IR Datenpaket-Kombinierung der 7 kombiniert die Vorteile einer identischen Paketkombinierung mit einer vollständigen IR Datenpaketkombinierung. Durch Einführen einer Rückkopplungssignalisierung auf drei Ebenen (ACK, NACK oder LOST) nutzt das Verfahren die robuste Art der identischen Datenpaket-Kombinierung und des guten Betriebsverhaltens, welches sich aus einer größeren Codierungsverstärkung ergibt, die durch ein vollständiges IR Datenpaket-Kombiniersystem bereitgestellt wird, aus. Die ultimativen Vorteile sind ein erhöhter Durchsatz und eine verringerte Verzögerung des Paketdaten-Kommunikationssystems. Ein erhöhter Durchsatz und eine verringerte Verzögerung bedeuten bessere Kommunikationsdienste.
In den Ausführungsformen der 4 und der 6 muss der Empfänger nicht immer drei Rückkopplungsantworten (ACK/NACK/LOST) benötigen. Solange, wie der Empfänger nachverfolgen kann, welche die weniger wichtigen Bits sind, die in einer erneuten Übertragung eingebaut werden, ist es ausreichend, nur zwei Rückkopplungsantworten (ACK/NACK) zu verwenden. Jedoch gibt es Situationen, bei denen die Verwendung von drei Rückkopplungsantworten sogar für das teilweise IR Kombinierverfahren noch nützlich sein kann. Wenn der Empfänger z. B. vollständig die ursprüngliche Übertragung oder eine der Neuübertragungen verfehlt, könnte er sich bei den Neuübertragungen verzählen. Wenn der Empfänger erfasst, dass der Satz von weniger wichtigen Bits bei einer Neuübertragung nicht demjenigen entspricht, was der Empfänger erwartet hatte, kann er somit ein LOST Signal zurück an den Sender senden, welches den Sender triggert, mit der ursprünglichen Übertragung insgesamt nochmals zu starten. Alternativ kann der Empfänger nicht genug Pufferspeicher in einem Kombiniererpuffer aufweisen, um irgendwelche zusätzlichen weniger wichtigen Bits zu speichern. Durch Senden eines LOST Signals an den Sender wird die folgende Neuübertragung nur weniger wichtige Bits enthalten, die früher gesendet worden sind, und die nicht irgendwelchen neuen Pufferspeicher benötigen.
Die hybriden ARQ-Mit-Paket-Kombinierverfahren in Übereinstimmung mit den 4, 6 und 7 können jeweils in einem Datenkommunikationssystem 1 implementiert werden, wie in 8 gezeigt. Übertragene Datenpakete werden von einem hybriden ARQ Sender 2 empfangen und verarbeitet. Eine Kanal-codierte Information, mit einer ersten Gruppe von Bits, die für die Decodierung wichtig sind, und einer zweiten Gruppe von Bits, die für die Decodierung weniger wichtig sind, werden über einen Vorwärtskanal 4 übertragen. Ein hybrider ARQ Empfänger 6 empfängt Informationen über den Vorwärtskanal 4 und umfasst eine Fehlerkorrektur- und Erfassungs-Funktionalität, um empfangene Datenpakete zu verarbeiten und außerdem die Abwesenheit eines Datenpakets zu erfassen. Für zufrieden stellend decodierte Pakete mit keinen Fehlern sendet der hybride ARQ Empfänger 6 ein Bestätigungssignal (ACK) über einen Rückkopplungskanal 8 an den hybriden ARQ Sender 2. Bestätigte Datenpakete werden ebenfalls von dem Empfänger an Anwendungen auf einer höheren Ebene in dem Empfänger bereitgestellt. Für decodierte Datenpakete mit erfassten Fehlern wird eine negative Bestätigung (NACK) zurück an den Sender 2 über den Rückkopplungskanal 8 gesendet. Wenn das Verfahren der 4 verwendet wird, sendet der Sender 2 erneut sowohl die wichtigen Bits, z. B. S₁, sowie einen Satz der weniger wichtigen Bits, z. B. P_1,2 erneut. Der Prozess wird fortgesetzt, bis das Datenpaket erfolgreich decodiert und bestätigt wird. Wenn das Verfahren in 7 verwendet wird, überträgt der hybride ARQ Sender 2 einen Satz der weniger wichtigen Bits, z. B. P_1,2, ohne die wichtigeren Bits zu senden, z. B. S₁. Das letztere Verfahren wird wegen seines besseren Betriebsverhaltens bevorzugt.
Wenn jedoch ein Datenpaket als abwesend erfasst wird oder bestimmt wird, dass es ausreichend zerstört ist, um von dem Empfängerdecoder nicht korrigierbar (oder teilweise so) zu sein, wird ein LOST Signal von dem Empfänger 6 durch den Rückkopplungskanal 8 an den Hybriden ARQ Sender gesendet. Für ein Stopp-und-Warten (Stop-and-Wait) ARQ Verfahren kann das Nicht-Empfangen einer ACK oder einer NACK innerhalb eines bestimmten Zeitfensters nach einer Übertragung von dem Sender als ein LOST Paket interpretiert werden. Eine nachfolgende negative Bestätigung von dieser ersten Neuübertragung führt. zu einer zweiten Neuübertragung der gleichen wichtigen Bits sowie eines Satzes der weniger wichtigen Bits. Dieser Satz von weniger wichtigen Bits kann der gleiche sein wie bei der ersten Neuübertragung, z. B. P_1,2, oder er kann ein anderer Satz sein, z. B. P_1,3. Ein anderer Satz wird bevorzugt. Wenn bei der Lösung in 7 die erste Neuübertragung negativ bestätigt wird, dann wird eine zweite Neuübertragung an den Empfänger mit einem Satz von weniger wichtigen Bits gesendet, ohne die wichtigeren Bits einzubauen. Wiederum können die weniger wichtigen Bits, die bei der zweiten Neuübertragung eingebaut werden, die gleichen wie diejenigen sein, die bei der ersten Neuübertragung eingebaut werden, oder sie können andere (bevorzugte) sein.
Prozeduren, die in einer beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nun in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm beschrieben, welches in 9 dargestellt ist. 9 zeigt die Prozedur, wenn der Empfänger erwartet, ein Paket zu empfangen (Block 10). Der Empfänger entscheidet, ob ein erwartetes Datenpaket abwesend ist oder nicht (Block 11). Wenn das erwartete Paket abwesend ist, dann sendet der Empfänger ein LOST Signal an den Sender (Block 12). Im Ansprechen auf einen Empfang des LOST Signals sendet der Sender eine Neuübertragung mit wichtigeren Bits, und möglicherweise weniger wichtigen Bits (Block 13). Der Empfänger folgt dann dem Flag C zurück zu dem Block 11. Sobald der Empfänger in dem Block 11 erfasst, dass ein erwartetes Paket nicht abwesend ist, decodiert der Empfänger das Paket (Block 14). Eine Entscheidung wird getroffen, ob ein Paket erfolgreich decodiert wird (Block 15). Wenn dem so ist, dann sendet der Empfänger ein Bestätigungssignal ACK an den Sender (Block 16). Wenn das Bestätigungssignal empfangen wird, dann sendet der Sender das nächste Datenpaket (Block 17).
Wenn andererseits das Paket nicht erfolgreich im Block 15 decodiert wird, dann trifft der Empfänger eine Entscheidung, ob die Interim-Decodierungsergebnisse akzeptabel sind und ob der Empfänger einen Nutzen aus zusätzlichen, weniger wichtigen Bits ziehen kann (Block 18). Eine Vorgehensweise zum Bestimmen, ob das Interim-Decodierungsergebnis akzeptabel oder in einer anderen Weise in einem Paket Kombinier-Fehlerkorrektur-Verfahren verwendbar ist, besteht einfach darin, dass Interim-Decodierungsergebnis mit einer vorgegebenen Schwelle zu vergleichen. Ein Grund für den Empfänger zu entscheiden, dass er keinen Nutzen aus zusätzlichen, weniger wichtigen Bits ziehen kann, ist, wenn der Kombiniererpuffer (s. 11, Block 54) voll ist und wenn kein Pufferspeicher vorhanden ist, um irgendwelche zusätzlichen, weniger wichtigen Bits zu speichern.
Wenn die Antwort im Block 18 JA ist, dann speichert der Empfänger die empfangene Information und sendet ein NACK Signal an den Sender (Block 21). Im Ansprechen auf das NACK Signal sendet der Sender weniger wichtige Bits bei der Neuübertragung (s. 7) oder alternativ, sowohl wichtigere als auch weniger wichtige Bits (s. 4 und 6). Der Empfänger wird dann im Block 23 fortgesetzt.
Wenn bestimmt wird, dass das Interim-Decodierungsergebnis im Block 18 nicht akzeptabel ist (z. B. die Daten so zerstört sind, dass sie praktisch nicht korrigiert werden können), oder wenn der Empfänger entscheidet, dass er keinen Nutzen aus zusätzlichen, weniger wichtigen Bits ziehen kann (z. B. der Kombiniererpuffer ist voll), dann geht die Steuerung zum Block 19 und der Empfänger sendet ein LOST Signal an den Sender. Im Ansprechen auf einen Empfang eines LOST Signals sendet der Sender eine Neuübertragung mit den wichtigeren Bits, und möglicherweise einige weniger wichtige Bits. Die weniger wichtigen Bits, die im Ansprechen auf ein LOST Signal übertragen werden, können die gleichen wie diejenigen sein, die in der ursprünglichen Übertragung (bevorzugt) übertragen werden, oder sie können unterschiedlich sein. Der Empfänger fährt dann weiter mit dem Block 23.
Im Block 23 entscheidet der Empfänger, ob die Neuübertragung abwesend ist oder nicht. Wenn die Neuübertragung abwesend ist, dann folgt der Empfänger dem Flag B zurück zu dem Block 18. Wenn die Neuübertragung nicht abwesend ist, dann wiederholt der Empfänger den Decodierungsbetrieb unter Verwendung von neu übertragenen Bits und gespeicherter Information (Block 24). Nach diesem Decodierungsbetrieb folgt der Empfänger dem Flag A zurück zu dem Block 15.
Wie voranstehend beschrieben, kann in dem System der 8 der Sender auf unterschiedliche Weise reagieren, wenn ein LOST Signal empfangen wird. In einem bevorzugten Ansatz startet der Sender von vorne und überträgt sowohl die ursprünglich übertragenen wichtigen als auch weniger wichtige Bits, z. B. S₁ und P_1,1 immer dann, wenn ein Verloren-Signal empfangen wird (bevorzugt). Alternativ kann die Neuübertragung die wichtigen Bits S₁, zusammen mit einem neuen Satz von weniger wichtigen Bits, die früher nicht überfragen wurden, z. B. P_1,2, einschließen, wenn ein LOST Signal empfangen wird. Noch weiter ist es möglich, eine Kombination von neuen und früher übertragenen Bits aus dem Satz von weniger wichtigen Bits P zu senden, wenn ein LOST Signal empfangen wird. Der Vorteil zum Senden eines neuen Satzes von weniger wichtigen Bits ist ein besseres Betriebsverhalten im Vergleich mit dem Senden der ursprünglichen weniger wichtigen Bits. Der Vorteil, nochmals von vorne zu beginnen und die gleichen Bits wie bei dem ersten Versuch erneut zu übertragen, besteht darin, dass dies sicherstellt, dass die empfangene Information bei der Neuübertragung in den Kombiniererpuffer in den Empfänger passen wird.
Die 10 und 11 zeigen jeweils in einem Funktionsblockformat einen hybriden ARQ Sender 31 und einem hybriden ARQ Empfänger 50, die in einer beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Der hybride ARQ Sender 31 in 10 umfasst einen Kanalcodierer 32, der Kanalcodierungsfunktionen einschließlich einer Codierung von ursprünglichen Daten mit Vorwärtsfehlerkorrektur- und Fehlererfassungsbits ausführt. Der Ausgang des Kanalcodierers 32 umfasst wichtige Bits, wie systematische Bits, und weniger wichtige Bits, wie Paritätsbits. Systematische Bits sind wichtiger, z.B. für den Decodierungsbetrieb in dem Empfänger, als die Paritätsbits. Der Controller 42 steuert den Betrieb des Kanalcodierers 32, der Puffer 34 und 36 und des Kombinierers 38. In Abhängigkeit von dem empfangenen Rückkopplungssignal (ACK/NACK/LOST), welches von dem Empfänger 44 an dem Controller 42 bereitgestellt wird, werden Bits von einem oder beiden Puffern 34 und 36 in dem Kombinierer 38 kombiniert und an dem Sender-Frontend 40 für eine Übertragung über den Kommunikationskanal bereitgestellt. Wie voranstehend beschrieben können in Abhängigkeit von dem empfangenen Rückkopplungssignal und der bestimmten verwendeten Ausführungsform systematische Bits in der Neuübertragung kombiniert werden oder nicht kombiniert werden, und bestimmte Paritätsbits können gewählt und bei der Neuübertragung kombiniert werden.
Der hybride ARQ Empfänger 50 in 11 umfasst einen Empfänger-Frontend 52, das das Signal empfängt, welches über den Kommunikationskanal übertragen wird. Die empfangene Signalinformation wird tatsächlich in einem Kombiniererpuffer 54 gespeichert und auch an einen Kombinierer 56 bereitgestellt. Der Ausgang des Kombinierers 56 wird in einem Vorwärtsfehlerkorrektur-(Forward Error Correction; FEC) Decoder 58 verarbeitet. Der decodierte Ausgang wird in dem Fehlererfassungsblock 60 verarbeitet, um Fehler in dem decodierten Ausgang zu erfassen. Wenn keine Fehler erfasst werden, wird das Datenpaket für eine weitere Verarbeitung durch Anwendungen auf höheren Ebenen in dem Empfänger ausgegeben. Für genau decodierte Pakete sendet der Controller 62 ein ACK Signal mit Hilfe des Senders 64 an den Sender 31. Wenn andererseits Fehler in dem Decoderausgang erfasst werden, dann überträgt der Decoder 62 ein NACK Signal über den Sender 64, der eine erneute Übertragung anfordert. Noch weiter kann der Controller 62 auch bestimmen, ob ein Paket innerhalb eines bestimmten Zeitfensters nicht empfangen worden ist. Paketidentifizierer werden typischerweise in Datenpaketen eingebaut, um die Sequenz, sowie die Identität eines bestimmten Pakets zu spezifizieren. Unter Verwendung dieser Identifikationsinformation kann der Empfänger erfassen, ob ein spezifisches Paket empfangen worden ist, und kann ein LOST Signal an den Sender 31 senden. Diese identifizierende Sequenzinformation wird auch von dem Kombinierer 56 verwendet, um eine inkrementale Redundanz-Kombinierung von systematischen und Paritätsbits auszuführen. Wenn der Controller ein Signal von dem Fehlererfassungsblock 60 empfängt, welches anzeigt, dass von dem FEC Decoder 58 zu viele Fehler ausgegeben werden, was eine Fehlerkorrektur entweder zu schwierig oder unmöglich macht, dann sendet der Controller 62 ein LOST Signal von seinem Sender 64.
Die folgenden Ausführungen sind ein Beispiel dafür, wie die Bits S₁ und P_1,1 inkremental mit P_1,2 kombiniert werden. Ein Turbo-Codierer mit einer Rate R = 1/5 wird für eine Fehlerkorrektur angenommen (ein Turbo-Codierer wird in Verbindung mit 14 beschrieben). Der Turbo-Codierer berechnet vier Ströme von Paritätsbits, d. h. 4 Bits für jedes systematische Bit. Wenn somit das Datenpaket, welches übertrgen werden soll, aus N Bits besteht, werden vier N Paritätsbits aus dem Kanalcodierer 32 erhalten. Bei dem ersten Übertragungsversuch kann es nicht erforderlich sein, sämtliche fünf N Bits zu übertragen, da eine Übertragung von diesen vielen Bits immer die erforderliche Bandbreite des Kommunikationssystems erhöhen wird. Anstelle davon werden nur die N systematischen Bits in S₁ und N der Paritätsbits (d. h. P_1,1) bei dem ersten Übertragungsversuch gesendet. Zum Beispiel kann P_1,1 ungerade nummerierte Paritätsbits aus dem ersten Strom und gerade nummerierte Bits von dem dritten Strom von Paritätsbits einschließen. Somit werden in diesem Beispiel Bits von den zweiten oder vierten Strömen von Paritätsbits bei dem ersten Übertragungsversuch nicht gesendet.
Wenn ein NACK Signal empfangen wird, dann werden zwei N neue Paritätsbits P_1,2 gesendet. Bei dem zweiten Übertragungsversuch können P_1,2 sämtliche gerade nummerierten Bits von den ersten, ungerade nummerierten Bits, von den zweiten, ungerade nummerierten Bits von dem dritten, und gerade nummerierten Paritätsbits aus den vierten Strömen von Paritätsbits enthalten. Der FEC Decoder 58 in dem Empfänger hat nun sämtliche Bits auf den ersten und dritten Strömen und die Hälfte der Bits aus den zweiten bzw. vierten Strömen erhalten. Die Bits in S₁, P_1,1 und P_1,2 sind in der richtigen Reihenfolge von dem Kombinierer 56 angeordnet und die Bits, die noch fehlen, werden ignoriert (d. h. die gerade nummerierten Bits aus dem zweiten Strom von Paritätsbits und die ungerade nummerierten Bits aus dem vierten). Nach dem zweiten Übertragungsversuch weist der Decoder 58 einen viel stärkeren und leistungsfähigeren Kanalcode zum Decodieren auf, und dies verbessert signifikant die Wahrscheinlichkeit einer richtigen Decodierung.
Die unterschiedlichen hybriden ARQ Verfahren werden durch Verwendung einer beispielhaften Simulation verglichen, deren Ergebnisse in 12 gezeigt sind. Die folgenden Ausführungen sind die Simulationsannahmen. Der FEC Codierer ist ein Turbo-Codierer mit einer Standardrate 1/2 mit einer Beschränkungslänge 3. Die Bits von dem Turbo-Codierer weden durch einen QPSK Modulator moduliert und über einen AWGN Kanal übertragen. Der Trubo-Codierer verwendet eine Blockgröße von 960 Bits und der Turbo-Decoder verwendet vier Iterationen. 12 zeigt die simulierte Schlitzfehlerrate (SELR) als Funktion von E_s/N₀ in dB, wobei E_s als die durchschnittliche Energie pro Modulationssymbol definiert wird, und N₀ die einseitige Leistungsspektraldichte des weißen Rauschens auf dem Kanal ist. Die Schlitzfehlerraten, die in 12 dargestellt sind, werden als die Wahrscheinlichkeit interpretiert, dass das Datenpaket nicht richtig nach einem, zwei, drei oder vier Übertragungsversuchen kommuniziert wird. Das Schlitzfehlerraten-Betriebsverhalten für die ursprüngliche Übertragung von jedem Datenpaket ist unter Verwendung einer ausgezogenen Linie mit keinen Markierungen gezeigt. Schlitzfehlerraten-Betriebsverhalten nach einer, zwei und drei Neuübertragungen sind mit schwarzen Quadraten, weißen Kreisen und schwarzen Dreiecken jeweils gezeigt. Gestrichelte Linien mit Markierungen stellen das identische Paket-Kombiniersystem dar, welches in 2 gezeigt ist. Strichpunktierte Linien mit Markierungen stellen das in 4 dargestellte Teil-IR-Paketdaten-Kombiniersystem dar. Ausgezogene Linien mit Markierungen stellen das in 3 dargestellte Voll-IR-Paketdaten-Kombiniersystem dar. Das Betriebsverhalten von sämtlichen Verfahren verbessert sich, wenn die Anzahl von Übertragungsversuchen zunimmt. Der Unterschied zwischen einer identischen Paket-Kombinierung und einer Teil-IR-Kombinierung beträgt ungefährt 0,5 dB. Das Voll-IR-Kombinierverfahren ist 0,5 dB besser als das Teil-IR-Kombinierverfahren. In dieser beispielhaften Simulation ist das Voll-IR-Kombinierverfahren um ungefähr 1 dB besser als das Einfach-Paket-Kombinierverfahren, was der Grund dafür ist, warum das hybride ARQ Verfahren mit einer vollständigen IR Kombinierung in 7 gegenüber dem hybriden ARQ Verfahren mit einer teilweisen IR Kombinierung in den 4/6 bevorzugt wird.
Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es möglich ein identisches, ein teilweises IR, und ein vollständiges IR-Kombinierverfahren in dem gleichen hybriden ARQ Protokoll zu implementieren. Wenn der Empfänger nur in der Lage ist eine identische Paket-Kombinierung zu handhaben, dann kann er LOST Signale anstelle von NACK Signalen senden, sodass der Sender die ursprünglichen Daten neu überträgt, bis der Empfänger diese richtig decodieren kann. Sobald das Datenpaket richtig decodiert wird, überträgt der Empfänger ein ACK Signal. Ein fortgeschrittenerer Empfänger kann den Vorteil des verbesserten Betriebsverhaltens des teilweisen oder vollständigen IR hybriden ARQ Verfahrens ausnutzen durch Übertragen von NACK Signalen, um den Sender zu triggern weitere und veränderte redundante Information zu senden. Eine andere mögliche Verwendung der Erfindung besteht darin dem Empfänger zu erlauben eine vollständige IR Kombinierung zu verwenden, bis er keinen Speicher in dem Empfänger-Kombiniererpuffer mehr hat. Sobald der Empfänger-Kombiniererpuffer voll ist, kann der Empfänger auf das identische Paket-Kombinieren zurückfallen. Dies erlaubt dem Empfänger auch eine vollständige IR Kombinierung für kleine Datenpakete und eine identische Paket-Kombinierung für größere Datenpakete zu verwenden. Somit kann der Empfänger zwischen den Kosten des Kombinierer-Pufferspeichers und dem Betriebsverhalten abwägen.
Ein Typ von System, bei dem dies ein Vorteil sein kann, ist ein mobiles Funkkommunikationssystem, bei dem der Sender die Basisstation ist und der Empfänger die mobile Einheit ist, oder umgekehrt. Eine fortgeschrittenere mobile Einheit, die in der Lage ist eine teilweise oder eine vollständige IR Paketdaten-Kombinierung auszuführen, wird dann einen höheren Durchsatz erreichen als eine einfachere (und weniger kostenaufwändige) mobile Einheit. 13 zeigt ein beispielhaftes CDMA Kommunikationssystem 100. Externe Netze 102, die Netze eines leitungsvermittelten Typs, sowie Netze eines paketvermittelten Typs umfassen, sind mit einem CDMA Funkzugriffsnetz 104 verbunden, welches ein oder mehrere Funknetzcontroller (Radio Network Controller; RNCs) 106 einschließt. Jeder RNC 106 ist mit einer Vielzahl von Funkbasisstationen (BSs) 108 und mit anderen RNCs in dem Funkzugriffsnetz 104 verbunden. Funkkommunikationen zwischen ein oder mehreren Basisstationen 108 und einem drahtlosen Benutzergerät (WUE) 110 finden mit Hilfe einer Funkschnittstelle statt. Ein Mobilfunkterminal ist ein Beispiel eines drahtlosen Benutzergeräts 110. Ein Zugriff in diesem nicht-beschränkten Beispiel ist auf CDMA gestützt, wobei individuelle Funkkanäle unter Verwendung von Spreizungcodes unterschieden werden. CDMA stellt eine breite Funkbandbreite für Multimediadienste bereit, einschließlich von Paketdatenanwendungen mit Anforderungen einer hohen Datenrate/und einer hohen Bandbreite. Ein Szenarium, bei dem Hochgeschwindigkeitsdaten in der Abwärtsrichtung von dem Funkzugriffsnetz 104 über die Funkschnittstelle an ein drahtloses Benutzergerät 110 übertragen werden müssen, ist, wenn das drahtlose Benutzergerät 110 Information von einem Computer anfordert, der an dem Internet angebracht ist, z.B. von einer Website.
Jede WUE und jede BS umfasst einen Kanal-Codierer und einen Decoder. Ein Kanal-Codierer bildet einen Block (oder eine Sequenz) von Eingangsinformationsbits in einen Block (oder eine Sequenz) von codierten Bits ab. In dieser WCDMA nicht-beschränkenden Anwendung der vorliegenden Erfindung sind der Kanal-Codierer und der Decoder vorzugsweise ein Turbo-Codierer und Turbo-Decoder. Ein Turbo-Codierer wird mit näheren Einzelheiten nachstehend beschrieben.
14 zeigt einen beispielhaften Turbo-Codierer der Rate R = 1/3 mit zwei rekursiven systematischen Faltungs-(Recursive Systematic Convolutional (RSC))Codierern. Die RSC-Codierer werden als faltungsmäßig bezeichnet, weil der Aufbau mit einem linearen Schieberegister einem standardmäßigen digitalen linearen Filter ähnelt, und lineare Filter falten den Eingang mit der Filterimpulsantwort. Der Ausdruck „rekursiv" bezieht sich auf die Tatsache, dass in den RSC-Codierern eine Rückkopplungsschleife vorhanden ist. Die zwei RSC-Codierer sind parallel verkettet und durch einen Verschachteler getrennt. Der Verschachteler nimmt einen Block von Eingangsbits und ordnet diese in einer zufälligen Weise um. Die Eingangsbits werden direkt an den ersten RSC-Codierer weitergeleitet und über den Verschachteler an den zweiten RSC-Codierer. Ein Turbo-Codierer arbeitet mit einem Block von Eingangsbits N_tot und auch die Größe des Verschachtelers gleicht N_tot.
Der Codierer in 14 ist nicht so sehr „Turbo", sowie dies der entsprechende Decoder in dem Empfänger tut. Die empfangenen systematischen Bits und die empfangenen Paritätsbits entsprechend zu dem ersten RCS-Codierer werden in einem Decoder verwendet, der nur RSC-1 berücksichtigt. Aus diesem Decodierungsprozess wird eine bestimmte Kenntnis über die gesendeten Informationsbits gewonnen. Diese so-genannte „Soft-Information" wird verwendet, um eine verschachtelte Version der empfangenen systematischen Bits und der empfangenen Paritätsbits von RSC-2 zu decodieren. Nach dem Decodierungsbetrieb ist mehr darüber bekannt, welche Information übertragen wurde. Der Decodierungsprozess wird wiederholt, aber dieses Mal unter Verwendung von Kenntnissen, die über die Informationsbits während der voranstehenden Iteration des Decodierungsprozesses gelernt wurden. Der Decodierungsprozess kann wiederholt werden, und das Betriebsverhalten steigt ein wenig bei jeder neuen Iteration an. Somit ist die Verwendung des Ausdrucks „Turbo". Wünschenswerte Qualitäten von Turbo-Codierern umfassen: (1) Die Codewörter schauen wie Zufallscodewörter an dem Kanal aus, und (2) es ist einfach sehr lange Codewörter zu konstruieren. Der Aufbau, der für die Codewörter durch den Turbo-Codierer aufgeprägt wird, ist ausreichend, um den Decodierungsprozess praktisch zu machen, aber nicht soweit, dass die gewünschten Zufallseigenschaften verloren gehen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen, die hier beschrieben und dargestellt wurden, beschränkt ist. Andere Formate, Ausführungsformen, Adaptionen, abgesehen von denjenigen, die gezeigt und beschrieben werden, sowie zahlreiche Modifikationen, Variationen und äquivalente Anordnungen können verwendet werden, um die Erfindung zu implementieren. Während systematische Bits und Paritätsbit als Beispiele der wichtigen und weniger wichtigen Bits angeführt wurden, können andere Gruppen und Typen von Bits als wichtig und weniger wichtig identifiziert werden. Demzufolge ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch den Umfang der hier angehängten Ansprüche beschränkt wird.
Beim Implementieren der Ansprüche soll ein Paket, welches gerade abwesend ist, so verstanden werden, dass das erwartete Paket mit einem spezifischen Identifizierer innerhalb einer spezifischen Zeitperiode nicht als empfangen erfasst worden ist, und ein Verloren-Signal soll so verstanden werden, dass es als Folge davon gesendet wird, dass ein Paket abwesend ist.

Claims

Verfahren für einen empfangenden Knoten, um einem sendenden Knoten den Empfang eines gesendeten Datenpakets zu bestätigen, das einen Identifizierer und einen ersten und zweiten Typ von Bits einschließt, wobei der erste Typ von Bits für ein Decodieren wichtiger ist als der zweite Typ von Bits, umfassend die folgenden Schritte: Senden einer Bestätigungsnachricht als Antwort, wenn bestimmt wird, dass es möglich ist das empfangene Datenpaket zu decodieren, oder alternativ, Senden einer Nicht-Bestätigungsnachricht, wenn bestimmt wird, dass weitere Bits des zweiten Typs empfangen werden müssen zum Decodieren des Datenpakets, gekennzeichnet durch den alternativen Schritt zum: Senden einer Verlustnachricht, wenn das Datenpaket nicht innerhalb einer erwarteten Zeitperiode empfangen wird, wodurch angefordert wird, dass wenigstens der erste Typ von Bits neu gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Typ von Bits tatsächliche Informationsbits einschließt und der zweite Typ von Bits Paritätsbits einschließt.
Verfahren zum Behandeln einer hybriden automatischen Wiederholungsaufforderung in einem sendenden Knoten, umfassend die folgenden Schritte: Senden eines Datenpakets mit einem ersten und zweiten Typ von Bits, wobei der erste Typ von Bits zum Decodieren des Datenpakets in einem empfangendem Ende wichtiger ist als der zweite Typ von Bits; Senden eines nachfolgenden Datenpakets, wenn eine Bestätigungsnachricht im Ansprechen auf das gesendete Datenpaket empfangen wird; Senden des zweiten Typs von Bits, wenn eine Nicht-Bestätigungsnachricht als Antwort auf das gesendete Datenpaket empfangen wird, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt zum erneuten Senden des ersten Typs von Bits, wenn eine Verlustnachricht oder wenn überhaupt keine Nachricht als Antwort auf das gesendete Datenpaket empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Typ von Bits mit den Bits des zweites Typs erneut gesendet werden.
Vorrichtung zur Verwendung in einem Sender, der Daten über einen Kommunikationskanal überträgt, umfassend: einen Signalprozessor (32, 34, 36), der konfiguriert ist, um Daten zu verarbeiten und entsprechende systematische Bits und Paritätsbits zu erzeugen; einen Kombinierer (38), der konfiguriert ist, um selektiv systematische und Paritätsbits zu empfangen und ein codiertes Datenpaket zu erzeugen; eine Sende/Empfangs-Schaltungsanordnung (40), die konfiguriert ist, um codierte Datenpakete über den Kommunikationskanal zu senden; einen Controller (42), der konfiguriert ist, um zu steuern, welche Bits durch den Kombinierer gewählt werden, um das kodierte Datenpaket zu erzeugen, auf Grundlage eines Feedbacks von einem Empfänger, wobei die Vorrichtung ausgelegt ist, dass dann, wenn eine negative Bestätigung empfangen wird, Paritätsbits über den Kommunikationskanal an den Empfänger neu übertragen werden, und wenn ein Verlustsignal empfangen wird oder keine Bestätigung oder eine negative Bestätigung empfangen wird, die systematischen Bits über den Kommunikationskanal neu an den Empfänger übertragen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Signalprozessor und Kombinierer unter Verwendung eines Turbocodierers implementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kommunikationskanal ein Funkkanal ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die systematischen Bits über den Kommunikationskanal an den Empfänger zusammen mit Paritätsbits, die ursprünglich mit den systematischen Bits gesendet wurden, neu gesendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei dann, wenn ein Verlustsignal empfangen wird oder keine Bestätigung oder eine negative Bestätigung empfangen wird, die systematischen Bits über den Kommunikationskanal an den Empfänger zusammen mit Paritätsbits, die sich von den Paritätsbits unterscheiden, die ursprünglich mit den systematischen Bits gesendet wurden, neu gesendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei dann, wenn die systematischen Bits neu gesendet werden, und ein negatives Bestätigungssignal im Ansprechen auf das erneute Senden empfangen wird, Paritätsbits, die zu den systematischen Bits gehören, über den Kommunikationskanal an den Empfänger ohne die systematischen Bits neu gesendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei dann, wenn ein negatives Bestätigungssignal empfangen wird, die systematischen Bits über den Kommunikationskanal an den Empfänger zusammen mit den Paritätsbits gesendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei dann, wenn ein negatives Bestätigungssignal empfangen wird, Paritätsbits über den Kommunikationskanal an den Empfänger ohne die systematischen Bits gesendet werden.
Vorrichtung zur Verwendung in einem Empfänger, der Daten über einen Kommunikationskanal empfängt, umfassend: eine Sende/Empfangs-Schaltungsanordnung (52), die konfiguriert ist, ein codiertes Datenpaket zu empfangen, das über den Kommunikationskanal durch einen Sender gesendet wird, wobei ein anfänglich gesendetes codiertes Datenpaket einen ersten Typ von Bits und einen zweiten Typ von Bits einschließt, wobei der erste Typ von Bits wichtiger für eine Decodierung als der zweite Typ von Bits ist; eine Paketverarbeitungs-Schaltungsanordnung (54, 56, 58, 60, 62, 64), die konfiguriert ist, um die Abwesenheit eines erwarteten Pakets mit einer spezifischen Identität zu erfassen, wenn kein Paket mit der spezifischen Identität als empfangen innerhalb einer spezifizierten Zeitperiode erfasst worden ist, und um ein Verlustsignal an den Sender zu senden, wenn die Abwesenheit erfasst wird, und um danach eine erste erneute Sendung des erwarteten Pakets zu decodieren, das den ersten Typ von Bits einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Paketverarbeitungs-Schaltungsanordnung einschließt: einen Puffer (54) zum Speichern von Information des empfangenen Datenpakets; einen Kombinierer (56) zum Kombinieren von Pufferinformation mit neu gesendeter Information; einen Decoder (58) zum Decodieren eines Ausgangs des Kombinierers; und einen Controller (62), der mit dem Puffer, dem Kombinierer und dem Decoder gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Decoder ein Turbo-Decoder ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Puffer und der Kombinierer einen inkrementalen Redundanzbetrieb ausführen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Decoder eine Fehlerkorrektur ausführt und die Paketverarbeitungs-Schaltungsanordnung ferner Fehler in dem Ausgang des Decoders erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei dann, wenn der Decoderausgang nicht akzeptabel ist, der Controller ein negatives Bestätigungssignal an den Sender sendet.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei im Ansprechen auf die negative Bestätigung der Empfänger eine erneute Aussendung mit einem Satz der Bits des zweiten Typs ohne den Bits des ersten Typs empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei im Ansprechen auf die negative Bestätigung der Empfänger eine erneute Aussendung mit einem Satz von Bits des zweiten Typs zusammen mit den Bits des ersten Typs empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der erste Typ von Bits tatsächliche Informationsbits einschließt und der zweite Typ von Bits Paritätsbits einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste erneute Aussendung auch einen ersten Satz der Bits des zweiten Typs einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei dann, wenn eine Decodierung der ersten erneuten Aussendung nicht erfolgreich ist, eine negative Bestätigung an den Sender gesendet wird, und im Ansprechen eine zweite erneute Übertragung mit einem Satz des zweiten Typ von Bits ohne den ersten Typ von Bits empfangen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die zweite Aussendung mit dem ersten Typ von Bits und dem zweiten Typ von Bits empfangen wird.