DE602004010433T2

DE602004010433T2 - Verfahren, system und vorrichtung zur arq-datenübertragung

Info

Publication number: DE602004010433T2
Application number: DE602004010433T
Authority: DE
Inventors: Peter Larsson
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: EP1700411B1; WO2005064837A1; CN1902850A; EP1700411A1; ATE379892T1; US20070297325A1; US7724640B2; TW200536303A; TWI383614B; SE0303590D0; DE602004010433D1; EP1551126A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatische Wiederholungsanforderung (ARQ) in einer Datenkommunikation. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von ARQ über fluktuierende Funkkanäle.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den meisten Kommunikationssystemen, nicht zuletzt drahtlosen Kommunikationssystemen, ist es von höchster Bedeutung, ein zuverlässiges Protokoll zum Liefern von Dateneinheiten von einer Funktionseinheit zu zumindest einer anderen Funktionseinheit im System bereitzustellen, ohne Datenverlust und ohne Duplikation von Daten. Solche zuverlässigen Datenlieferungsprotokolle basieren typischer Weise auf dem Prinzip, dass der Empfänger der Daten zum Sender der Daten mit Quittungen nach Empfang der Daten antwortet und/oder negativen Quittungen antwortet, wenn die Dateneinheiten verloren wurden. Der Sender wird nach der Quittung die nächsten Dateneinheiten senden, oder bei negativer Quittung die verlorenen Dateneinheiten erneut übertragen.
Automatische Wiederholungsanforderung (ARQ) ist eine der häufigsten Wiederholungsübertragungstechniken in Kommunikationsnetzwerken, und sie gewährleistet zuverlässige Benutzerdatenübertragung und Datensequenzintegrität. Die Daten werden vor der Übertragung in kleinere Pakete aufgeteilt, Protokolldateneinheiten (PDU). Eine zuverlässige Übertragung wird durch das Codieren der Pakete mit einem Fehlererkennungscode ermöglicht, so dass der Empfänger fehlerhafte oder verlorene Pakete erkennen kann und dadurch eine Übertragungswiederholung anordnen kann. Die Datensequenzintegrität wird normaler Weise durch sequentielles Nummerieren der Pakete und Anwenden bestimmter Übertragungsregeln erreicht.
In der einfachsten Form von ARQ, gewöhnlich als Stopp-und Warte-ARQ zitiert, speichert der Sender von Daten jedes gesendete Paket und wartet in der Form einer Quittungsmeldung (ACK) auf eine Quittung vom Empfänger eines korrekt empfangenen Pakets. Wenn die ACK empfangen wurde, löscht der Sender das gespeicherte Paket und sendet das nächste Paket. Ein Beispiel eines herkömmlichen Stopp-und-Warte-ARQ-Schemas wird im Meldungssequenzdiagramm der 1a dargestellt. Der Prozess wird typischer Weise mit Zeitgebern und der Verwendung von negativen Quittungsmeldungen (NACK) vervollständigt, was in der 1b dargestellt wird. Die Sendefunktionseinheit verwendet einen Zeitgeber, der bei der Übertragung eines Datenpaktes gestartet wird, und falls kein ACK empfangen wurde, bevor der Zeitgeber ausläuft; wird das Paket erneut übertragen. Falls der Empfänger Fehler im Paket feststellt, kann er einen NACK an den Sender schicken. Nach dem Empfangen des NACK überträgt der Sender das Datenpaket erneut, ohne auf das Auslaufen des Zeitgebers zu warten. Falls die ACK- oder NACK-Meldung verloren sind, wird der Zeitgeber schließlich auslaufen und der Sender wird das Datenpaket erneut übertragen. Ausgehend vom einfachen Stopp-und-Warte wurden besser ausgearbeitete Schemata des herkömmlichen ARQ entwickelt, z. B., Geh-Zurück-N und selektives Abweisen (oder selektives Wiederholen), die einen höheren Durchsatz bereitstellen. Unterrichtet in WO 02/09342 von Dahlmann und anderen, wird ein ARQ-Schema, das zum traditionellen ARQ-Schema Flexibilität durch Einführen von ARQ-Parametern hinzufügt, die festgelegt und/oder verhandelt werden, um einen gewünschten Ausgleich in Bezug auf Kommunikationsressourcen zu geben.
In einer weiteren Entwicklungslinie des ARQ wird die Redundanz in der Codierung auf verschieden Weise ausgeschöpft, um die Kommunikationsleistung (allgemein als Durchsatz gemessen) zu erhöhen. Diese Schemata werden als Hybrid-ARQ-Schemata zitiert. Auf Grund der Kombination von Codierung und ARQ, können die hybriden ARQ-Schemata eine bestimmte Anpassung an Änderungen in der Funkumgebung, z. B. zum Fading, herstellen. Wie man am besten ARQ- und Codierungsschemata kombiniert, um mit Fadingkanälen fertig zu werden, ist nicht trivial. Verschiedene Ansätze und Schemata wurden vorgeschlagen und verwendet.
In Hybrid 1 ARQ ist die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC – Forward Error Correction) mit ARQ kombiniert. In Hybrid 2 ARQ wird eine PDU mehr oder weniger uncodiert gesendet, jedoch von einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC – Cyclic Redundancy Check) zum Überprüfen der Anwesenheit von Bitfehlern nach dem Dekodieren begleitet. Wenn CRC fehlschlägt, d. h. Fehler werden entdeckt, dann wird die PDU zur erneuten Übertragung angefordert, und ein Codewort, das auf der Basis der mit der ersten PDU übertragenen Daten generiert wird, wird gesendet. Das Codewort könnte eine solche Eigenschaft haben, dass das originäre Datenwort nur durch Dekodieren des Codewortes bestimmt werden kann, oder es könnte mit dem vorher empfangenen Inhalt der PDU kombiniert werden, und dadurch die Chance des Dekodierens der Datenwörter ohne Fehler verbessern. Das Codieren könnte z. B. so genannte Halbraten-Umkehrcodes verwenden. Eine Version der Hybrid 2 ARQ wird in UTMS verwendet. Ein anderes ARQ-Verfahren ist das Kombinieren einer PDU, die mehrmals übertragen wurde, durch maximale Verhältniskombination (oder in ähnlicher Weise wie etwa Interferenz-Zurückweisungskombination). Im US Patent Nr. 6,308,294 von Gosh und anderen, wird ein Verfahren des Kombinierens so genannter Turbocodes mit Hybrid-ARQ veröffentlicht, das die erneute Übertragung von unterschiedlichen Größen und erhöhte Anpassung an Fadingkanäle erlaubt.
Wie oben exemplarisch dargestellt, wurden Vorteile in der Bereitstellung von ARQ-Schemata erzielt, die den Durchsatz und/oder die Flexibilität mit Bezug auf die Kanalqualität erhöhen. Jedoch leiden die Verfahren des Standes der Technik an Nachteilen, hauptsächlich:
Herkömmliche Nicht-Hybrid-ARQ-Schemata, jedoch auch zum Teil Hybrid-ARQ-Schemata, sind ineffizient, wenn sich die Kanalqualität unvorhersehbar ändert. Solche Änderungen könnten dadurch verursacht werden, dass der Funkkanal auf Grund von Fading fluktuiert, oder dass die Interferenz unvorhersehbar auf Grund von Fading oder/und auf Grund unvorhersehbarer Verkehrsfluktuationen fluktuiert.
Darüber hinaus könnte die Kanalfluktuation Ungenauigkeiten in Kanalmessungen verursachen und/oder dass veraltete Kanalmessungen zur Verbindungsmodusauswahl verwendet werden. Dies könnte verursachen, dass Pakete mit einer Rate gesendet werden, die nicht dekodierbar ist, wenn die Interferenz und das Rauschen für die ausgewählte Rate größer als erlaubt sind. Alternativ könnte eine Begrenzung eingeführt und eine reduzierte Rate verwendet werden, jedoch wird dies mit den "Kosten" der nicht effizienten Nutzung der Kanäle durchgeführt, die eine höhere Rate vertragen können.
Zusätzlich sind komplexe ARQ-Schemata, speziell die fortschrittlicheren Hybrid-ARQ-Schemata schwierig zu implementieren und erfordern einen hohen Grad von Optimierung, um den Vorteil des erhöhten Durchsatzes, der theoretisch möglich ist, vollständig mitzunehmen. Oft bewirkt das Fehlen der Systemoptimierung, die sehr komplex geworden ist, dass die drahtlosen Systeme weniger Durchsatz liefern, als die Hybrid-ARQ-Schemata liefern können.
US Patent 6,101,168 veröffentlicht Verfahren und Systeme für automatische Wiederholungsanforderung (ARQ) in Datenpaketkommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger, die sich in drahtloser Kommunikation befinden. Wenn ein Datenpaket als fehlerhaft erkannt (empfangen) wird, wird eine NACK-Meldung an den Sender zurückgeschickt und ein korrektes Paket wird zusammen mit einem neuen Datenpaket erneut übertragen. Es wird auch beschrieben, dass das Leistungsniveau der erneut übertragenen Pakete variiert werden kann, d. h., angehoben werden kann, um genügend Energie der erneut übertragenen Pakete aufrecht zu halten. Es wird auch beschrieben, dass die Codesymbole der erneut übertragenen Pakete geändert werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Offensichtlich wird ein verbessertes ARQ-Verfahren benötigt, das sich schnell und automatisch an Änderungen der Kanalqualität anpasst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, ein System und Programme bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Dies wird durch das Verfahren wie in Anspruch 1 definiert, das System wie in Anspruch 6 definiert, die Vorrichtung wie in Anspruch 7 definiert und das Programmprodukt wie in Anspruch 5 definiert, erreicht.
Im Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung befinden sich ein Sender und ein Empfänger in drahtloser Kommunikation miteinander, wobei der Sender mit einem hereinkommenden Datenstrom einer Vielzahl von Protokolldateneinheiten (PDUs) versorgt wird. Der Sender überträgt eine Vielzahl von PDUs, die sich zumindest teilweise überlappen, und es werden zumindest zwei unterschiedliche Übertragungsleistungsniveaus für die Übertragung von zumindest zwei unterschiedlichen PDUs verwendet. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung enthält folgende Schritte:

a) – Gruppieren von PDUs, wobei eine Anzahl von PDUs aus dem zum Sender hereinkommenden Datenstrom in einen Satz von PDUs gruppiert wird, und jeder PDU eine Sequenznummer (n) gegeben wird;
b) – Zuordnen von Übertragungsleistung und Coderate an PDUs, wobei jeder PDU ein Übertragungsleistungsniveauwert (P_k) und ein Coderatenwert (C_k), so dass der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl der höchste Leistungsniveauwert zugeordnet wird, und den nachfolgenden PDUs abfallende Leistungsniveauwerte zugeordnet werden;
c) – Speichern von PDUs, wobei die PDUs in einem Speicher einher mit ihrer Sequenzzahl n und dem zugeordneten Leistungsniveauwert P_k und dem Codefaktorwert C_k gespeichert werden;
d) – Übertragen von PDUs, wobei die PDUs des Satzes der PDUs gleichzeitig vom Sender mit ihrem entsprechendem Leistungsniveauwert P_k und ihrem Codefaktorwert C_k übertragen werden;
e) – Empfangen von PDUs, wobei die übertragenen PDUs vom Empfänger empfangen, dekodiert und auf Fehler hin überprüft werden, und PDUs, die als nicht dekodierbar erachtet werden, werden als nicht korrekt empfangen erkannt;
f) – Zurückführen (ARQ), wobei der Empfänger an den Sender eine ARQ-Rückmeldung im Form einer ACK- oder NACK-Nachricht überträgt, wobei die ACK- oder NACK-Nachricht Information über die PDUs umfassen, die korrekt empfangen wurden, oder über die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden;
g) – Entfernen der korrekt empfangenen PDUs aus dem Speicher, wobei der Sender die temporär gespeicherten PDUs aus dem Speicher entfernt, die korrekt empfangen wurden, und der Sender bildet eine neue Gruppe von PDUs, die die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden und neue PDUs aus dem hereinkommenden Datenstrom umfasst, so dass die neue Gruppe von PDUs gefüllt wird, wobei den PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden.
h) – Wiederholen der Schritte b) bis g), wodurch die nicht korrekt empfangenen PDUs auf höheren Leistungsniveaus als die vorhergehende Übertragung erneut übertragen werden.

Das System gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Sender und zumindest einen Empfänger, der angepasst ist, um an einer gegenseitigen drahtlosen Kommunikation beteiligt zu sein, wobei das System automatische Wiederholungsanforderung (ARQ) in der Datenkommunikation verwendet, wobei der Sender mit einem hereinkommenden Datenstrom einer Vielzahl von Protokolldateneinheiten (PDUs) versorgt wird. Der Sender überträgt eine Vielzahl von PDUs, die sich zumindest teilweise überlappen, und es werden zumindest zwei unterschiedliche Übertragungsleistungsniveaus zur Übertragung von zumindest zwei unterschiedlichen PDUs verwendet.
Dank des erfinderischen Verfahrens und Systems wird eine Funkkanalanpassung bereitgestellt, die mit Bezug auf Kanalvariationen opportunistisch ist. Eine größere Anzahl von PDUs wird übertragen werden, wenn es der Kanal erlaubt, und eine geringere Anzahl, wenn die unmittelbare Kanalqualität gering ist. Wodurch das Verfahren absichert, dass bei jeder Übertragungsinstanz eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit bestehen wird, dass zumindest ein Teil der übertragenen PDUs korrekt empfangen wurde, d. h., etwas Information wird beinahe immer übertragen. Die ist im Gegensatz zu ARQ-Schemata (sowohl herkömmlicher als auch hybrider Schemata) nach dem Stand der Technik der Fall, worin in einigen Fällen überhaupt keine Information übertragen wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass dank der Fähigkeit der schnellen Kanalanpassung in Kombination mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, in jedem Versuch einige PDUs korrekt empfangen werden, wobei eine weniger präzise Kanalrückkopplung notwendig ist. Mit anderen Worten, die Erfindung erhöht die Robustheit gegenüber unvorhersehbaren Kanalfluktuationen. Zusätzlich wird diese Anpassung mit relativ geringer Komplexität durchgeführt, eine schnelle und zuverlässige Implementierung sichernd.
Ein weiterer Vorteil, der vom Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, ist, dass es in den meisten Kommunikationssystemen Abwärtskompatibilität zu Altterminals bietet. Die Idee ist, dass Basisstationen und Neuterminals das neue ARQ-Schema implementieren, während Altterminals hauptsächlich das gröbste Niveau sehen und dasselbe mit etwas geringerer Performance decodieren, auf Grund der Interferenz, verursacht durch darunter liegende (mit Bezug auf das Leistungsniveau) PDUs.
Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert. Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offenkundig, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Darstellungen und Ansprüchen betrachtet wird.
KURZBESCHREIBUNG DER DARSTELLUNGEN
Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Darstellungsabbildungen beschrieben, wobei
1a) und b) ein Nachrichtensequenzdiagramm herkömmlicher ARQ-Schemata ist;
2 ein Flussdiagramm über das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Nachrichtensequenzdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Nachrichtensequenzdiagramm ist, das eine exemplarische Implementierung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Implementierungsarchitektur ist, die für die vorliegende Erfindung geeignet ist; und
6 das Verfahren gemäß der Erfindung darstellt, das auf einem Kanal verwendet wird, der zeitlich sich veränderndes Fading zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einem typischen Szenario zur Verwendung von ARQ sind zwei oder mehr Funktionseinheiten in einer drahtlosen Kommunikation miteinander beschäftigt. Die Kommunikation wird gewöhnlich zitiert, dass sie über einen Funkkanal stattzufindet, der z. B. ein logischer Kanal in einem drahtlosen Kommunikationssystem wie UMTS ist. Die Funktionseinheiten sind in der Lage Funksignale sowohl zu senden als auch zu empfangen. Zur Deutlichkeit der Beschreibung wird die Funktionseinheit, die eine Datennutzlast zu senden hat als der Sender zitiert, und die Funktionseinheit, die Daten zu empfangen hat, als der Empfänger zitiert, obwohl im den ARQ-Prozessen beide Funktionseinheiten Signale über den Kanal empfangen und senden. Wie im Hintergrundabschnitt diskutiert, könnten Fadingfluktuation und Interferenzfluktuationen, verursacht durch Verkehrsvariationen, die Kanalqualität verursachen, sich unvorhersehbar zu ändern. Wie in 2 dargestellt, ist die "Unsicherheit" des Trägerinterferenzverhältnisses (CIR-Carrier to Interference Ratio) wie eine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in einem typischen Verkehrs- und Fadingszenario. Wie aus der Abbildung verstanden werden kann, könnte eine durchschnittliche Kanalqualität definiert werden, wobei die Kanalqualität jedoch sehr häufig wesentlich von diesem Mittelwert abweichen wird, und eine Übertragung zu einem Zeitpunkt sowohl bessere als auch schlechtere Kanalqualität erleben kann. Auf dieselbe Weise ist die Wahrscheinlichkeit, wenn eine Augenblicksmessung der Kanalqualität als Referenz verwendet wird, dieser Messung groß, nicht für die Kanalqualität repräsentativ zu sein. Messungen der Kanalqualität werden in allen drahtlosen Systemen durchgeführt, z. B., durch Messen von BER, und sie werden als Basis zur Bestimmung der Übertragungsleistung, Verbindungsanpassung etc. verwendet. Wie oben beschrieben werden die bekannten ARQ-Schemata ineffizient, wenn sich die Kanalqualität unvorhersehbar verändert.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein ARQ-Schema bereit, das für eine Situation sich ändernder Kanalqualität sehr gut geeignet ist. Nach dem Verfahren sendet der Sender einen Satz von mehreren PDUs, die im Wesentlichen zur selben Zeit auf unterschiedlichen Leistungsniveaus gesendet werden, und bevorzugt mit einer ziemlich niedrigen (Code) Rate für jede PDU. Jeder PDU 205 im Satz 210 wird eine Sequenzzahl n gegeben und eine individuelle Coderate C_n und eine individuelles Leistungsniveau P_n zugeordnet. Die Coderate und die Leistungsniveaus werden so zwischen allen gewählt, dass übertragene PDUs durch den Empfänger bei Anwesenheit von Rauschen und Interferenz dekodierbar sind. Die Anzahl der dekodierbaren PDUs hängt vom Störpegel ab, gezeigt bei 215, und mit welchen Leistungen die PDUs empfangen werden. Der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl wird bevorzugt die höchste Leistung zugeordnet, und den folgenden Sequenzzahlen wird eine nachfolgend niedrigere Übertragungsleistung zugeordnet. Wenn eine PDU im Satz den Decodierungsprozess verfehlt hat, wird durch eine ACK- oder NACK-Prozedur eine erneute Übertragung angeordnet. Der verlorenen PDU wird dann die niedrigste Sequenzzahl für die Übertragung gegeben, die daher die höchste Leistung verwendet. Alternative oder in Kombination werden den PDUs unterschiedliches Codieren, d. h. unterschiedliche Datenraten gegeben.
Verschiedene bekannte Modulations-/Multiplex-Verfahren könnten für gleichzeitige Übertragung verwendet werden, z. B., Mehrauflösungsmodulation (MRM – Multi Resolution Modulation), Direktsequenz Code Division Multiple Accesss (DS-CDMA) oder "Turbocodiertes" CDMA.
Zum Dekodieren können auch verschiedene bekannte Verfahren verwendet werden, wie Mehrfachbenutzererkennungsschemata (MUD – Multi User Detection) einschließlich nachfolgender Interferenzlöschung (SIC – Successive Interference Cancellation), Parallelinterferenzlöschung (PIC – Parallel Interference Cancellation), Maximalwahrscheinlichkeitserkennung, etc.
Eine Ausführungsform, die Basis für eine Implementierung repräsentierend, des ARQ-Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf das Nachrichtensequenzdiagramm der Abbildungen 2 und 3 und des Flussdiagramms der 4 beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

405: Gruppieren von PDUs. Eine Anzahl von PDUs aus dem zum Sender hereinkommenden Datenstrom wird in einen Satz von PDUs gruppiert. Den PDUs werden entsprechende Sequenzzahlen gemäß n, n + 1, n + 2, ... N + n – 1 gegeben. Die Anzahl N der PDUs in einem Satz wird typischer Weise durch die Fähigkeit von Mehrfachübertragungen und/oder das Decodieren des verwendeten Modulations-/Multiplex-Verfahren bzw. des Dekodierverfahren festgelegt. N ist typischer Weise ein vorbestimmter Wert, kann aber auch ein Parameter sein.
410: Zuordnen der Übertragungsleistung und der Coderate an die PDUs. Jeder PDU wird ein Übertragungsleistungsniveauwert P_k und ein Coderatenwert C_k zugeordnet, wobei k = 1, 2, ..., N. Bevorzugt wird der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl (n) der höchste Leistungsniveauwert P₁ zugeordnet und den nachfolgenden PDUs werden abfallenden Leistungsniveaus P₂, P₃, P₄, etc. zugeordnet. Die Leistungsniveauwerte reichen bevorzugt von einem Wert oberhalb der geschätzten benötigten Übertragungsleistung (aus der entsprechenden Messung der Kanalqualität), um eine hohe Wahrscheinlichkeit für die PDU zu sichern, korrekt empfangen zu werden, bis zu Werten unterhalb der geschätzten benötigten Übertragungsleistung. Die mit den niedrigeren Übertragungsleistungen übertragenen PDUs werden eine geringere Wahrscheinlichkeit besitzen, korrekt empfangen zu werden, jedoch mit Bezug auf die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der 2, wird verstanden, dass auch eine, mit beträchtlich geringerer Leistung als die geschätzte benötigte Übertragungsleistung, übertragene PDU erfolgreich empfangen werden könnte.
415: Speichern von PDUs. Die PDUs werden im Speicher einher mit ihrer Sequenzzahl n, und dem zugeordneten Leistungsniveauwert P_k und dem Coderatenwert C_k gespeichert.
420: Übertragen von PDUs. Die PDUs (n bis N – 1) des Satzes von PDUs werden gleichzeitig vom Sender mit ihren entsprechenden Leistungsniveauwerten P_k und Coderatenwerten C_k übertragen.
425: Empfangen von PDUs. Die übertragenen PDUs werden vom Empfänger empfangen, decodiert und auf Fehler geprüft (CRC). Typischer Weise wird eine Untergruppe der PDUs korrekt empfangen. Der Rest der PDUs ist wahrscheinlich zum Zeitpunkt der Übertragung unterhalb der Rauschebene, wie in 4a gezeigt, und wird als verloren betrachtet. Im Allgemeinen umfasst die Untergruppe der korrekt empfangenen PDUs nachfolgende PDUs n, n + 1, n + 2, ..., R, wobei R die höchste Sequenzzahl repräsentiert, der niedrigsten Sendeleistung P_R entsprechend, die eine korrekt empfangene PDU ergab.
430: ARQ Rückkopplung. Der Empfänger sendet eine ARQ-Rückkopplung an den Sender in Form einer ACK- oder NACK-Meldung. Im Fall eines ACK, umfasst die Meldung die Sequenzzahlen der PDUs in der Untergruppe der korrekt empfangenen PDUs (typischer Weise n, n + 1, n + 2, ..., R). Im Falle eines NACK, umfasst die Meldung die Sequenzzahlen der übertragenen PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, d. h., die nicht in der Untergruppe sind (typischer Weise R + 1, R + 2, ..., N + n – 1). Alternativ umfassen die ACK- oder NACK-meldungen eine Repräsentation von R, die anzeigt, dass Sequenzzahlen bis zu R korrekt empfangen wurden, oder die anzeigt, dass Sequenzzahlen nach R nicht korrekt empfangen wurden.
435: Entfernen korrekt empfangener PDUs aus dem Speicher. Nach Empfang der ACK- oder NACK-Meldung, entfernt der Sender aus dem Speicher die temporär gespeicherten PDUs, die korrekt empfangen wurden, d. h., die Untergruppe n, n + 1, n + 2, ..., R. Ein neuer Satz wird neu gruppiert, worin den PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden (R + 1, R + 2, ..., N + n – 1) die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden, und denen daher die höchsten Übertragungsratenleistungsniveauwerte gegeben werden. Der Satz wird dann mit neuen PDUs aus dem hereinkommenden Datenstromeinheiten R + 1, R + 2, ..., N + n – 1 "aufgefüllt".
440: Wiederholen der Schritte 410 bis 435. Der Zuordnungs- und ARQ-Prozess wird für alle PDUs des hereinkommenden Datenstroms wiederholt.

Abhängig vom Ergebnis einer Übertragung eines Satzes von PDUs, können das gesamte Leistungsniveau, das maximale Leistungsniveau P₁, die Intervalle zwischen den Leistungsniveaus und die Coderatenwerte zwischen den Übertragungen der Sätze angepasst werden.
Im Meldungssequenzdiagramm der 3 wird ein Beispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit vier möglichen gleichzeitigen Übertragungen (N = 4) dargestellt, d. h., vier Leistungsniveaus P₁, P₂, P₃ und P₄ und Coderaten C₁, C₂, C₃ und C₄. Der erste Satz wird PDU₁, PDU₂, PDU₃ und PDU₄ (Schritt 405) umfassen, mit zugeordneten Leistungsniveaus P₁, P₂, P₃ und P₄ und Coderaten C₁, C₂, C₃ und C₄ (Schritt 410). Der Übertragungsschritt (Schritt 420) resultiert darin, dass nur PDU₁, PDU₂ korrekt empfangen werden (Schritt 425). Der Empfänger sendet eine NACK-Meldung, die den Sender informiert, dass PDU₃ und PDU₄ verloren wurden (Schritt 430). Beim Sender wird mit PDU₃, PDU₄, PDU₅ und PDU₆ ein neuer PDU-Satz gebildet (Schritt 435), der mit den Leistungsniveaus P₁, P₂, P₃ und P₄ übertragen wird.
Die Relation zwischen Leistungsniveaus, Code- und Interferenz- plus Rauschlevelverhältnissen hängt von der Modulation und dem Codierschema als auch von der Decoderstruktur ab. Als ein illustratives Beispiel könnte man annehmen, dass Codes, die sich der Shannongrenze nähern, und ein auf der nachfolgenden Interferenzlöschung basierender Empfänger verwendet werden. Weiterhin könnte man der Einfachheit halber annehmen, dass jede PDU als eine weiße Rauschsequenz ohne irgendeine Struktur betrachtet werden kann. Man könnte weiterhin annehmen, dass man entschieden hat, welche Raten für jedes Niveau verwendet werden sollten, hier mit C_k1 bezeichnet, wobei k im Bereich von 1 bis K liegt. Darüber hinaus wird die PDU bei bestimmten SNR-Niveaus decodierbar sein, oder entsprechend bei bestimmten Interferenzniveaugrenzwerten. Nehmen Sie jetzt an, dass diese Grenzwertniveaus mit I_k bezeichnet werden. Dann können die Leistungsniveaus P_k für jedes Niveau bestimmt werden, als:
Eine mögliche exemplarische Implementierungsarchitektur wird in 5 gezeigt, worin Mehrfachauflösungsmodulation zum Multiplexen der unterschiedlichen ARQ-PDUs in verschiedenen Hierarchien verwendet wird. Ein nicht modulierter Datenstrom 505 wird einer Sendereinheit 510 zugeführt. In einem ARQ TX Block 515 werden die PDUs in einen Satz gruppiert und es werden ihnen individuelle Übertragungsleistung und/oder Coderate (Schritt 405 bis 410) zugeordnet, gefolgt vom Codieren und dem Modulationsblock 520, in dem die PDUs z. B. mit FEC + CRC codiert werden und moduliert werden. Der ARQ TX Block 515 umfasst weiterhin ein Speichermodul 517, worin die PDUs zeitweise (Schritt 415) gespeichert werden, während sie die ARQ Rückkopplung (Schritt 430) erwarten, und ein Entfernungsmodul 518 (Schritt 435). Die Signale werden von den Mischern 525 und einem Kombinator 530 gemischt und kombiniert und als modulierte Daten 535 über die Funkschnittstelle (Schritt 420) übertragen.
Auf der Empfängerseite empfängt der Empfänger 540 die modulierten Daten (Schritt 425). In einem Dekodierblock 545 werden die individuellen PDUs wiederhergestellt und mit der CRC-Funktionalität stellt er fest, welche der PDUs nicht korrekt empfangen wurden. Die PDUs werden in den ARQ RX Block 550 eingespeist, der dem ARQ TX 515 befiehlt, die nicht korrekten PDUs (Schritt 430) erneut zu übertragen, wie mit der ARQ Rückkopplung 552 angezeigt. Vom Empfänger 540 werden die demodulierten Daten 555 ausgegeben, die den unmodulierten Daten 505 entsprechen sollten.
Die 6 stellt das ARQ-Verfahren gemäß der Erfindung während der Tätigkeit in der Zeitdomäne für einen Fadingkanal dar, wobei die Kohärenzzeit größer ist, als die Dauer der Zeitschlitze, die zum Senden der PDUs verwendet wird. Wie in der Abbildung gezeigt wird, wird die Anzahl der PDUs, die korrekt übertragen werden, über die Zeit hinweg wegen der Variationen des Funkkanals und der Interferenz variieren.
Die vorliegende Erfindung wird hauptsächlich im Lichte eines flachen Kanals als Beispiel erläutert. Jedoch könnte sie auch über Kanäle verwendet werden, die variieren, z. B., OFDM mit Frequenzempfindlichkeit.
Zusätzlich können die PDUs, die zu einem Zeitpunkt decodiert sind, aus den Basisbandsignalen entfernt werden. Dieses verbleibende Basisbandsignal kann dann in Kombination mit neu empfangenen Signalen verwendet werden, z. B., durch Maximalverhältniskombination.
Das vorgeschlagene hierarchische ARQ-Schema könnte in Kombination mit anderen Hybrid-ARQ-Verfahren verwendet werden, unter Verwendung unterschiedlicher FEC-Codes für dieselbe PDU, abhängig davon, ob die PDU zum ersten, zweiten, dritten (usw.) Mal gesendet wird.
Die vorliegende Erfindung könnte z. B. auch in Verbindung mit fortgeschrittenen Antennenkonzepten verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf, Strahlenbildung und MIMO basierter Kommunikation.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann beschrieben werden, als eine Funkkanalanpassung gebendes Verfahren, das mit Bezug auf die Kanalvariationen opportunistisch ist – eine größere Anzahl von PDUs wird übertragen, wenn es der Kanal erlaubt, und eine geringere Anzahl, wenn die augenblickliche Kanalqualität gering ist. Wodurch das Verfahren absichert, dass bei jeder Übertragungsinstanz eine sehr große Wahrscheinlichkeit besteht, dass zumindest ein Teil der übertragenen PDUs korrekt empfangen wurde, d. h., etwas Information wird beinahe immer übertragen. Dies ist im Gegensatz zu ARQ-Schematas (sowohl herkömmlichen als auch hybrider Schemata) des Standes der Technik, worin in einigen Fällen überhaupt keine Information übertrage wird.
Alternativ oder in Kombination mit dem Obigen könnte die Fähigkeit schneller Kanalanpassung, von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, darin verwendet werden, dass eine weniger genaue Kanalrückkopplung notwendig ist, da die Erfindung die Robustheit gegen unvorhersehbare Kanalfluktuationen erhöht. Zusätzlich wird diese Anpassung mit relativ geringer Komplexität durchgeführt, was eine schnelle und zuverlässige Implementierung absichert.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bietet in den meisten Kommunikationssystemen Rückwärtskompatibilität zu Altterminals. Die kann dadurch erreicht werden, dass Basisstationen und Neuterminals das neuartige ARQ-Schema verwenden, während Altterminals hauptsächlich das gröbste Niveau sehen und dasselbe mit etwas geringerer Performance decodieren, auf Grund der Interferenz, verursacht durch darunter liegende (mit Bezug auf das Leistungsniveau) PDUs.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt mit Hilfe von Programmprodukten oder Programmmodulprodukten implementiert, die Softwarecodemittel zur Durchführung der Schritte des Verfahrens umfassen. Die Programmprodukte werden bevorzugt auf einer Vielzahl von Funktionseinheiten innerhalb eines Netzwerkes ausgeführt. Das Programm ist verteilt und wird z. B. von einem computerbenutzbaren Medium geladen, wie einer Floppydisk, einer CD, oder über Funk übertragen, oder vom Internet herunter geladen.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was zur Zeit als die praktischsten und bevorzugten Ausführungsformen betrachtet werden, sollte verstanden werden, das die Erfindung nicht auf die veröffentlichten Ausführungsformen beschränkt werden sollte, sondern im Gegenteil, es wird beabsichtigt verschiedene Variationen und äquivalente Anordnungen innerhalb der beigefügten Ansprüche abzudecken.

Claims

Verfahren einer automatischen Wiederholungsanforderung, hiernach als ARQ bezeichnet, in einer Datenkommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger, die miteinander in drahtloser Kommunikation stehen, wobei der Sender mit einem hereinkommenden Datenstrom einer Vielzahl von Protokolldateneinheiten versorgt wird, hiernach als PDUs bezeichnet, und die ARQ-Prozedur die Verwendung einer Quittungsmeldung, hiernach als ACK bezeichnet, und einer negativen Quittungsmeldung, hiernach als NACK bezeichnet, umfasst, und wobei eine inkorrekt empfangene PDU gleichzeitig mit zumindest einer anderen PDU erneut übertragen werden kann, die PDUs werden auf verschiedenen Leistungsniveaus übertragen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) – Gruppieren von PDUs (405), wobei eine Anzahl von PDUs aus dem zum Sender hereinkommenden Datenstrom in einen Satz von PDUs gruppiert wird, und jeder PDU eine Sequenznummer n gegeben wird; b) – Zuordnen (410) von Übertragungsleistung und Codefaktor an PDUs, wobei jeder PDU ein Übertragungsleistungsniveauwert P_k und ein Codefaktorwert C_k zugeordnet wird, so dass der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl der höchste Leistungsniveauwert zugeordnet wird, und den nachfolgenden PDUs abfallende Leistungsniveauwerte zugeordnet werden; c) – Speichern von PDUs (415), wobei die PDUs in einem Speicher einher mit ihrer Sequenzzahl n und dem zugeordneten Leistungsniveauwert P_k und dem Codefaktorwert C_k gespeichert werden; d) – Übertragen von PDUs (420), wobei die PDUs des Satzes der PDUs gleichzeitig vom Sender mit ihrem entsprechendem Leistungsniveauwert P_k und ihrem Codefaktorwert C_k übertragen werden; e) – Empfangen von PDUs (425), wobei die übertragenen PDUs vom Empfänger empfangen, dekodiert und auf Fehler hin überprüft werden, und PDUs, die als nicht dekodierbar erachtet werden, werden als nicht korrekt empfangen erkannt; f) – Zurückführen (430), wobei der Empfänger an den Sender eine ARQ-Rückmeldung in Form einer ACK- oder NACK-Meldung überträgt, wobei die ACK- oder NACK-Meldung Information über die PDUs umfassen, die korrekt empfangen wurden, oder über die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden; g) – Entfernen der korrekt empfangenen PDUs aus dem Speicher (435), wobei der Sender die temporär gespeicherten PDUs aus dem Speicher entfernt, die korrekt empfangen wurden, und der Sender bildet eine neue Gruppe von PDUs, die die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden und neue PDUs aus dem hereinkommenden Datenstrom umfasst, so dass die neue Gruppe von PDUs gefüllt wird, wobei den PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden, damit ihnen die höchsten Übertragungsleistungsniveauwerte zugeordnet werden.
ARQ-Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte b) bis g) wiederholt werden (440) und wobei die PDUs, die bei einer ersten Übertragung nicht korrekt empfangen wurden, in einer folgenden Übertragung mit höheren entsprechenden Leistungsniveauwerten P_k und/oder unterschiedlichen Codefaktorwerten C_k, als in der ersten Übertragung verwendet, erneut übertragen werden.
ARQ-Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Schritt des Zuordnens (410) den PDUs absteigende Leistungsniveaus in Bezug auf ihre Sequenzzahl zugeordnet werden, so dass der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl der höchste Leistungsniveauwert gegeben wird; und im Schritt der PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden, und der Satz wird mit neuen PDUs aus dem hereinkommenden Datenstrom aufgefüllt.
ARQ-Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eines der Leistungsniveaus, das zum Übertragen von zumindest einer PDU verwendet wird, sich unterhalb einer geschätzten Rauschuntergrenze befindet.
Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher von Prozesshilfsmitteln innerhalb eines Senders und Empfängers geladen werden kann, Softwarecodemittel enthaltend, die adaptiert sind, um die Schritte jedes der Ansprüche 1 bis 4 zu implementieren.
Ein System von zumindest einem Sender (510) und zumindest einem Empfänger (540), die adaptiert sind, um miteinander in drahtloser Kommunikation zu stehen, wobei das System automatische Wiederholungsanforderung, hiernach als AQR bezeichnet, Quittungsmeldung, hiernach als ACK bezeichnet, und negative Quittungsmeldung, hiernach als NACK bezeichnet, in der Datenkommunikation verwendet, wobei der Sender mit einem hereinkommenden Datenstrom einer Vielzahl von Protokolldateneinheiten versorgt wird, hiernach als PDUs bezeichnet, und angeordnet ist, um eine nicht korrekte PDU gleichzeitig mit zumindest einer anderen PDU erneut zu übertragen, wobei die PDUs mit unterschiedlichen Leistungsniveaus übertragen werden, wodurch der Sender umfasst: – Gruppierungsmittel (515) zum Gruppieren von PDUs, so dass eine Zahl von PDUs aus dem zum Sender hereinkommenden Datenstrom in einen Satz von PDUs gruppiert wird und jeder PDU eine Sequenzzahl n gegeben wird, und zum Zuordnen von Übertragungsleistung und Codefaktor an die PDUs, so dass jeder PDU ein Übertragungsleistungsniveauwert P_k und ein Codefaktorwert C_k zugeordnet wird, und der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl der höchste Leistungsniveauwert zugeordnet wird und den nachfolgenden PDUs abfallende Leistungsniveauwerte zugeordnet werden; wobei die Gruppierungsmittel angeordnet sind, um eine ARQ-Rückmeldung zu empfangen; – Speichermittel (517), die angeordnet sind, um für die Gruppierungsmittel (515) zugreifbar zu sein, und die adaptiert sind, um PDUs zusammen mit ihrer Sequenzzahl n zu speichern, und den zugeordneten Leistungsniveauwert P_k und Codefaktorwert C_k; – Übertragungsmittel (530), zum Übertragen von PDUs, so dass die PDUs des Satzes der PDUs gleichzeitig vom Sender mit ihrem entsprechenden Leistungsniveauwert P_k und Codefaktorwert C_k übertragen werden; – Entfernungsmittel (518), die angeordnet sind, um für die Gruppierungsmittel (515) zugreifbar zu sein, zum Entfernen aus den Entfernungsmitteln der temporär gespeicherten PDUs, die korrekt empfangen wurden, und zum Bilden einer neuen Gruppe von PDUs, die PDUs umfassend, die nicht korrekt empfangen wurden und neue PDUs aus dem hereinkommenden Datenstrom, so dass die neue Gruppe von PDUs gefüllt wird, wobei den PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden, damit ihnen die höchsten Übertragungsleistungsniveauwerte zugeordnet werden; und wobei der Empfänger enthält: – Mittel zum Empfangen, Dekodieren und Prüfen (545) von PDUs auf Fehler, unter Verwendung von CRC, und Erkennen von PDUs, die als nicht dekodierbar betrachtet werden, als nicht korrekt empfangen; – Rückführungsmittel (550) zum Rückführen einer ACK- oder NACK-Meldung an den Sender, wobei die ACK- oder NACK-Meldung Information über die PDUs umfasst, die korrekt empfangen wurden, oder die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden.
Eine Funkkommunikationsvorrichtung zur Datenkommunikation, die adaptiert ist, um eine Vielzahl von Protokolldateneinheiten, hiernach als PDUs bezeichnet, unter Verwendung von automatischer Wiederholungsanforderung, hiernach als ARQ bezeichnet, Quittungsmeldung, hiernach als ACK bezeichnet, und negativer Quittungsmeldung, hiernach als NACK bezeichnet, zu übertragen, wobei die Funkkommunikationsvorrichtung eine Sendereinheit (510) umfasst, die umfasst: – Gruppierungsmittel (515) zum Gruppieren von PDUs, so dass eine Anzahl von PDUs aus einem zur Sendereinheit (510) hereinkommenden Datenstrom in einen Satz von PDUs gruppiert wird, und jeder PDU eine Sequenzzahl n gegeben wird, und zum Zuordnen von Übertragungsleistung und Codefaktor an die PDUs, so dass jeder PDU ein Übertragungsleistungs-Niveauwert P_k und ein Codefaktorwert C_k zugeordnet wird, und der PDU mit der niedrigsten Sequenzzahl der höchste Leistungsniveauwert zugeordnet wird und den nachfolgenden PDUs abfallende Leistungsniveauwerte zugeordnet werden; wobei die Gruppierungsmittel angeordnet sind, um eine ARQ-Rückmeldung zu empfangen; – Speichermittel (517), die angeordnet sind, um für die Gruppierungsmittel (515) zugreifbar zu sein, und die adaptiert sind, um PDUs zusammen mit ihrer Sequenzzahl n zu speichern, und den zugeordneten Leistungsniveauwert P_k und Codefaktorwert C_k; – Übertragungsmittel (530), zum Übertragen von PDUs, so dass die PDUs des Satzes der PDUs gleichzeitig vom Sender mit ihrem entsprechenden Leistungsniveauwert P_k und Codefaktorwert C_k übertragen werden; – Entfernungsmittel (518), die angeordnet sind, um für die Gruppierungsmittel (515) zugreifbar zu sein, zum Entfernen aus den Entfernungsmitteln der temporär gespeicherten PDUs, die korrekt empfangen wurden, und zum Bilden einer neuen Gruppe von PDUs, die PDUs umfassend, die nicht korrekt empfangen wurden und neue PDUs aus dem hereinkommenden Datenstrom, so dass die neue Gruppe von PDUs gefüllt wird, wobei den PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden, die niedrigsten Sequenzzahlen gegeben werden, damit ihnen die höchsten Übertragungsleistungsniveauwerte zugeordnet werden;
Funkkommunikationsvorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin eine Empfangseinheit (540) umfassend, die umfasst: – Mittel zum Empfangen, Dekodieren und Prüfen (545) von PDUs auf Fehler (CRC), und Erkennen von PDUs, die als nicht dekodierbar betrachtet werden, als nicht korrekt empfangen; – Rückführungsmittel (550) zum Rückführen einer ACK- oder NACK-Meldung an den Sender, wobei die ACK- oder NACK-Meldung Information über die PDUs umfasst, die korrekt empfangen wurden, oder die PDUs, die nicht korrekt empfangen wurden.
Funkkommunikationsvorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, wobei die Funkkommunikationsvorrichtung ein Mobilgerät zur Verwendung in einem zellularen Funkkommunikationssystem ist.
Funkkommunikationsvorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, wobei die Funkkommunikationsvorrichtung eine Funkbasisstation zur Verwendung in einem zellularen Funkkommunikationssystem ist.