DE60218011T2

DE60218011T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Mehrfachsendung von Daten

Info

Publication number: DE60218011T2
Application number: DE2002618011
Authority: DE
Inventors: Chan-soo Yongin-city Hwang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: EP1313260B1; CN1256830C; KR20030040818A; KR100561838B1; JP2003283582A; US7366195B2; EP1313260A3; JP3686651B2; EP1313260A2; US20030095561A1; CN1420667A; DE60218011D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen und Empfangen von Multicastdaten (Mehrfachsendung von Daten), und insbesondere Vorrichtungen zum effizienten und drahtlosen Übertragen und Empfangen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur, Verfahren dafür und ein drahtloses Kommunikationssystem, das die Übertragungsvorrichtung und die Empfangsvorrichtung beinhaltet.
Multicast (Mehrfachsendung) bedeutet, dass die selbe Information an eine Mehrzahl von Empfängern (nachfolgend als Empfängervorrichtungen bezeichnet) bei einer einzigen Übertragung gesendet wird. Multicasttechnologie ist vorteilhaft zur effizienten Nutzung von Netzwerkeinrichtungen ohne Verlust und wird daher für Ultrahochgeschwindigkeitsdaten verwendet.
Beim Übertragen von Daten (nachfolgend als Multicastdaten bezeichnet) durch Multicast kann die Menge an Daten, die jede der Empfängervorrichtungen durch ein Netzwerk pro Zeiteinheit empfangen kann, das heißt, die Datenraten der Empfängervorrichtungen unterschiedlich sein. Wenn hier eine Übertragungsvorrichtung Daten mit einer festgelegten Datenrate überträgt, muss die Übertragungsvorrichtung Daten mit der niedrigsten Datenrate unter den Datenraten der Empfängervorrichtungen übertragen, so dass alle Empfängervorrichtungen die Daten empfangen können. Wenn die Datenübertragungsrate erhöht wird, können die Empfängervorrichtungen mit einer geringeren Datenrate als die Datenübertragungsrate, die von der Übertragungsvorrichtung übertragenen Daten nicht empfangen.
Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Multicastdaten in mehrere Ströme (Streams) unterteilt werden, wo bei nur einige der Ströme zu Empfängervorrichtungen mit einer geringeren Datenrate als die Datenübertragungsrate übertragen werden, und alle Ströme zu den Empfängervorrichtungen übertragen werden, die eine höhere Datenrate als die Datenübertragungsrate aufweisen. Damit dieses Verfahren effektiv durchgeführt wird, muss ein Teil der Daten (d. h. Basisdaten) wie Video- oder Audiodaten Basisinformation enthalten, die Originaldaten von geringer Qualität ergeben kann und der übrige Teil der Daten (d. h. zusätzliche Daten) darunter detailliertere Information, muss den Basisdaten hinzugefügt werden, so dass Originaldaten von hoher Qualität bereitgestellt werden können. Eine solche Datenstruktur wird als skalierbar definiert. Motion Pictures Experts Group 4 (MPEG4) ist ein repräsentatives Kodierverfahren unter Verwendung einer solchen Skalierbarkeit.
Unsymmetrische Modulation (Unbalanced Modulation) ist ein Schema zum Übertragen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur in einem drahtlosen Übertragungssystem. Repräsentative unsymmetrische Modulationsweisen beinhalten UQPSK (Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying) und UQAM (Unbalanced Quadrature Amplitude Modulation). Diese Verfahrensweisen sind gleich, wenn ein einzelnes Signalelement zwei Bits aufweist, und daher wird unten nur UQPSK mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1A ist ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems unter Verwendung von UQPSK. Mit Bezug zu 1A weist das Kommunikationssystem unter Verwendung von UQPSK eine Übertragungsvorrichtung 100 und eine Empfängervorrichtung 110 auf. Zur deutlicheren Beschreibung ist ein Kommunikationskanal 120 in 1A dargestellt.
Die Übertragungsvorrichtung 100 moduliert ein Basisdatensignal 1 und ein zusätzliches Datensignal 2 unter Verwendung einer Sinuswelle 3, D₁·sin(ω_ct) und einer Cosinuswelle 4, D₂·cos(ω_ct) der selben Frequenz, um ein moduliertes Basissignal 5 und ein zusätzliches moduliertes Signal 6 zu erzeugen und addiert das modulierte Basissignal 5 und das zusätzliche modulierte Signal 6, so dass ein Übertragungssignal 7 erzeugt wird.
Das Übertragungssignal 7 wird durch den Kommunikationskanal 120 zur Empfängervorrichtung übertragen. Bei der Übertragung wird dem Übertragungssignal 7 Rauschen zugesetzt, das ein verrauschtes Übertragungssignal 17 ergibt.
Die Empfängervorrichtung 110 demoduliert das verrauschte Übertragungssignal 17 unter Verwendung einer Sinuswelle 13, sin(ω_ct), die mit der Sinuswelle 3 der Übertragungsvorrichtung 100 synchronisiert ist und einer Cosinuswelle 14 cos(ω_ct), die mit der Cosinuswelle 4 der Übertragungsvorrichtung 100 synchronisiert ist, so dass ein Basisdatensignal 11 mit Rauschen und ein zusätzliches Datensignal 12 mit Rauschen gebildet werden.
1B ist eine Darstellung der Konstellation I/Q in Bezug auf ein Sendesignal im UQPSK-Modulationsschema. Mit Bezug zu 1B sind das modulierte Basissignal 5 und das zusätzliche modulierte Signal 6 die Inphasenkomponente (I) bzw. die Quadraturkomponente (Q) des Übertragungssignals 7. Hier ist der Betrag der I-Komponente gleich der Amplitude D₁ der Sinuswelle 3, und der Betrag der Q-Komponente ist gleich der Amplitude D₂ der Cosinuswelle 4. Wenn D₂ = λ × D₁, hat λ einen Wert zwischen 0 und 1 im UQPSK-Modulationsschema. Wenn λ 0 ist, wird binäre PSK (BPSK) durchgeführt. Wenn λ 1 ist, wird unsymmetrische QPSK durchgeführt.
Mit Bezug zu 1B, wenn D₁ und D₂ in der Übertragungsvorrichtung 100 festgelegt sind, kann die Empfängervorrichtung 110 selektiv eine Q-Komponente gemäß dem Betrag an Rauschen, das einem empfange nen Signal zugesetzt ist, selektiv empfangen. Mit anderen Worten, wenn ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal-to-Noise Ratio) hoch ist und der Betrag an Rauschen geringer ist als die Amplitude D₂ einer Q-Komponente, empfängt die Empfangsvorrichtung 110 sowohl I- und Q-Komponenten und kombiniert sie so, dass ursprüngliche Daten erhalten werden, in denen zusätzliche Information zur Basisinformation hinzugesetzt ist. Wenn jedoch ein SNR niedrig ist und der Betrag an Rauschen größer ist als die Amplitude D₂ einer Q-Komponente, empfängt die Empfangsvorrichtung 110 nur eine I-Komponente und erhält nur Basisdaten.
Mit Bezug zu 1B ist das Übertragungssignal 7 einer von vier Signalpunkten 21, 22, 23 und 24. Die Empfängervorrichtung 110 empfängt jedoch ein verrauschtes Übertragungssignal 17. Wenn zum Beispiel die Empfängervorrichtung 110 ein Signal empfängt, das dem Signalpunkt 25 entspricht, ist es notwendig zu bestimmen, ob das Übertragungssignal 7 dem Signalpunkt 21 oder 22 entspricht, um die Q-Komponente zu empfangen. In einem Fall, wo das Übertragungssignal 7 dem Signalpunkt 22 entspricht und der Betrag an Rauschen, der der Q-Komponente zugesetzt ist, n₂ ist, wenn die Empfängervorrichtung 110 bestimmt, dass das Übertragungssignal 7 dem Signalpunkt 21 entspricht und dass der Betrag an Rauschen, der der Q-Komponente zugesetzt ist, n₁ ist, tritt ein Fehler auf. Dementsprechend nimmt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler aufgrund von Rauschen auftritt, ab, wenn die Amplitude D₂ der Q-Komponente zunimmt, und damit können mehr Empfängervorrichtungen zusätzliche Daten empfangen.
Da jedoch die Übertragungsleistung im UQPSK-Modulationsschema konstant sein muss, muss die I-Komponente abnehmen, wenn die Q-Komponente zunimmt. Mit Bezug zu 1B müssen Signalpunkte auf einem Einheitskreis 26 liegen, damit eine konstante Übertragungsleistung eingehalten wird. In einer solchen Darstellung nimmt D₁ ab, wenn D₂ zunimmt. Dementsprechend können, wenn der Betrag der Q-Kompo nente für Empfängervorrichtungen mit einem hohen SNR zunimmt, Empfängervorrichtungen mit niedrigem SNR die I-Komponente nicht empfangen, weil der Betrag an Rauschen größer ist als die Amplitude D₁. Ein solcher Zustand, in dem eine Empfängervorrichtung mit einem niedrigen SNR keine Basisdaten empfangen kann, die von einer Übertragungsvorrichtung übertragen werden, wird als Ausfall bezeichnet.
Mit anderen Worten, bei einem Verfahren zum Übertragen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur unter Verwendung eines unsymmetrischen Modulationsschemas, werden Basisdaten und zusätzliche Daten nach einem einzigen Verfahren übertragen, und eine Empfängervorrichtung bestimmt nach dem physikalischen Zustand, ob die zusätzlichen Daten empfangen werden. Dementsprechend tritt, wenn alle Empfängervorrichtungen ihre Datenrate erhöhen, um die Menge an empfangenen Daten zu erhöhen, ein Ausfall auf und damit kann die Datenrate nicht mehr erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung versucht, Vorrichtungen und Verfahren zum effizienten und drahtlosen Übertragen und Empfangen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur zur Verfügung zu stellen, wobei die Datenrate für jeden zu übertragenden Strom und eine Empfängervorrichtungsgruppe zuvor festgesetzt werden, um die Menge an zusätzlicher Information, die von allen Empfängervorrichtungen empfangen wird, zu erhöhen, ohne dass irgendeine Empfängervorrichtung keine Basisinformation empfängt, wodurch die Menge an von allen Empfängervorrichtungen empfangenen Daten maximiert wird und die Anzahl an Empfängervorrichtungen, die Information in hoher Qualität umfassend Basisinformation und zusätzliche Information empfangen können, maximiert wird.
Die vorliegende Erfindung versucht ebenso, ein System zur Verfügung zu stellen, das die obigen Übertragungsvorrichtungen und mehrere Empfängervorrichtungen für drahtlose Kommunikation von Multicastdaten beinhaltet.
Chadda et al. beschreiben in "An end to end software only scalable video delivery system", in Proceedings of the IEEE international workshop on network and operating systems support for digital video and Audio, 19. April 1995, Seiten 130 bis 141, ein skalierbares Videoausgabesystem. Eine Mehrzahl von Datenschichten erfahren Multicast.
Quji Guo et al. beschreiben in "A sender-adaptive and receiver driven layered multicast scheme for video over Internet", ISCAS 2001, Proceedings of the 2001 IEEE international symposium of circuits and systems, Band 1, Seiten 141 bis 144, Mai 2001, ein Multicastschema. Jeder Datenstrom wird als separate Multicastgruppe gesendet.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Übertragungsvorrichtung für drahtlose Übertragung von Mutlicastdaten gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum drahtlosen Übertragen von Multicastdaten gemäß Anspruch 8 zur Verfügung gestellt.
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A ein Blockdiagramm eines Kommunikationssystems unter Verwendung von unsymmetrischer UQPSK-Modulation (Unbalanced Quadrature Phase Shift Keying) ist;
1B eine Darstellung der Konstellation In-Phase/Quadratur (I/Q) in Bezug auf ein Übertragungssignal im UQPSK-Modulationsschema ist;
2 ein Blockdiagramm einer Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3A und 3B die Strukturen von Headern in einer Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
4A bis 4C die Strukturen von Übertragungsrahmen in einer Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
5 ein Blockdiagramm einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Multicastdaten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Tabelle von Parametern ist, die sich auf jedes Modulationsschema beziehen, das vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11a unterstützt wird;
7 ein Schaubild der Verteilung von Datenraten von Empfangsvorrichtungen in Simulationen zum Vergleichen des Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Kommunikationssystem unter Verwendung des in 1A gezeigten UQPSK-Modulationsschemas zeigt;
8A bis 8C Tabellen sind;
8A bis 8C sind Tabellen, die Datenraten und die Anzahl von Ausfällen in Bezug auf die Empfangsvorrichtungen in jedem in 7 gezeigten Bereich im Kommunikationssystem unter Verwendung des UQPSK-Modulationsschemas von 1A zeigen; und
9A bis 9F sind Schaubilder, die Veränderungen in der Summe der Datenraten und eine Ausfallwahrscheinlichkeit in Bezug auf einen Pfadverlustexponenten, die mittlere Anzahl an Empfangsvorrichtungen und die Standardabweichung des lognormalen Fading in Simulationen zum Vergleich des Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Kommunikationssystem unter Verwendung des in 1A gezeigten UQPSK-Kommunikationssystems zeigen.
Vorrichtungen und Verfahren zum Übertragen und Empfangen von Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung werden ausführlich mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung muss eine Übertragungsvorrichtung über die Gesamtzahl an Empfangsvorrichtungen, die Empfangsleistung jeder Empfangsvorrichtung und den Zustand eines Übertragungskanals zu jeder Empfangsvorrichtung informiert sein. Allgemeine Kommunikationssysteme erfüllen diese Bedingung, da die obige Information aus dem Inhalt der vorhergehenden Kommunikation abgeleitet werden kann.
Zur Maximierung der Menge an Daten, die von allen Empfangsvorrichtungen empfangen werden, ohne dass irgendwelche Empfangsvorrichtungen keine Basisinformation empfangen, muss ein Verfahren zum Übertragen von Basisdaten von einem Verfahren zur Übertragung zusätzlicher Daten unabhängig sein. In einem unsymmetrischen Modulationsschema, bei dem zwei Arten von Daten nach dem selben Verfahren übertragen werden, beeinflussen die Daten einander. Dementsprechend nimmt, wenn die Leistung einer Quadraturkomponente (Q) mit zusätzlichen Daten für Empfangsvorrichtungen mit einem hohen Signal-Rauschverhältnis (SNR) zunimmt und dadurch Daten mit einer hohen Datenrate empfangen können, die Leistung der Inphasenkomponente (I) mit Basisdaten ab, was dazu führt, dass ein Ausfall bei Empfangsvorrichtungen mit einem niedrigen SNR auftritt.
Zur Überwindung dieses Problems setzt eine Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung Datenraten, bei denen einzelne Empfangsvorrichtungen Daten empfangen können, ausgehend von der Anzahl aller Empfangsvorrichtungen, der Leistung jeder Empfangsvorrichtung und einem Zustand eines Übertragungskanals jeder Empfangsvorrichtung. Die Übertragungsvorrichtung klassifiziert die Empfangsvorrichtungen auch in Gruppen, die unterschiedlichen Datenraten entsprechen, ausgehend von den gesetzten Datenraten und bestimmt, in welchem Ausmaß Basisinformation und zusätzliche Information in jeder Gruppe übertragen werden können. Dementsprechend teilt die Übertragungsvorrichtung Multicastdaten in eine Mehrzahl von Multicastströmen und stimmt jeden Multicaststrom mit einer Empfangsvorrichtungsgruppe und mit einem Modulationsschema ab, in dem Daten mit einer Datenrate entsprechend der Empfangsvorrichtungsgruppe übertragen werden können. Jeder der Multicastströme wird mit einer Empfangsvorrichtungsgruppe derart abgestimmt, dass die Menge an Daten, die von allen Empfangsvorrichtungen empfangen wird, maximal ist. Hier wird ein Multicaststrom mit Basisinformation mit einer Empfangsvorrichtungsgruppe abgestimmt, die alle Empfangsvorrichtungen beinhaltet, so dass alle Empfangsvorrichtungen die Basisinformation empfangen können. Ein Multicaststrom mit zusätzlicher Information wird mit einer Empfangsvorrichtungsgruppe abgestimmt, die Empfangsvorrichtungen beinhaltet, die Daten mit einer hohen Datenrate empfangen können, wodurch die Menge an Daten maximiert wird, die von allen Empfangsvorrichtungen empfangen wird und die Anzahl an Empfangsvorrichtungen maximiert wird, die sowohl Basisinformation als auch zusätzliche Information empfangen können und dadurch Information höherer Qualität erhalten können als Empfangsvorrichtungen, die nur Basisinformation empfangen.
2 ist ein Blockdiagramm einer Übertragungsvorrichtung für Multicastdaten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 2 beinhaltet eine Übertragungsvorrichtung für Multicastdaten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Stromgenerator 200, einen Kodierprozessor 210, einen Headerprozessor 220, einen Strommodulator 230 und einen Rahmengenerator 240.
Mit Bezug zu 2 teilt ein Stromgenerator 200 Multicastdaten 31, die eine skalierbare Datenstruktur aufweisen, gemäß Datenraten, bei denen eine Mehrzahl von externen Empfangsvorrichtungen Daten empfangen können, in eine Mehrzahl von Multicastströmen 32 entsprechend den bestimmten Datenraten, derart, dass die Menge an Multicastdaten, die von allen Empfangsvorrichtungen empfangen wird, maximiert werden kann und alle Empfangsvorrichtungen Basisinformation empfangen können.
Die Bedingungen für optimale Übertragung werden mit einer Formel beschrieben. Ein Einheitssignalelement bei der Datenübertragung wird als Burst bezeichnet. Bei der Modulation gibt eine Datenrate die Anzahl an Datenbits in jedem Burst an. Dementsprechend werden, wenn ein Multicaststrom mit einer Größe von r·n mit einer Datenrate "r" moduliert wird, "n" Bursts erzeugt.
Zum Beispiel werden vom Stromgenerator 200 erzeugte N Multicastströme in aufsteigender Folge der Datenrate entsprechend jedem Multicaststrom von 1 bis N nummeriert. Die Datenraten entsprechend den Multicastströmen werden mit r₁, r₂,..., r_N bezeichnet. Die Anzahl der Empfangsvorrichtungen, die in einzelnen Empfangsvorrichtungsgruppen enthalten sind, die den einzelnen Multicastströmen entsprechen, werden mit u₁, u₂, ..., u_N bezeichnet. Hier erfüllt eine Bedingung zur Maximierung der Menge an Multicastdaten, die von allen Empfangsvorrichtungen empfangen werden, die Maximierungsformel (1).
Damit alle Empfangsvorrichtungen Basisinformation empfangen können, muss ein Multicaststrom entsprechend der niedrigsten Datenrate, bei der alle Empfangsvorrichtungen Daten empfangen können, ausreichend groß sein, damit alle Basisinformation enthalten ist. Dies kann als Formel (2) ausgedrückt werden. n1r1 ≥ rmin (2)
Hier bezeichnet r_min die Größe der Basisdaten in Biteinheiten.
Die Datenraten r₁ bis r_N und die Anzahl u₁ bis u_N an Empfangsvorrichtungen, die in jeder Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten sind, werden ausgehend von Datenraten, bei denen die Empfangsvorrichtungen Daten empfangen können und Modulationsschemen, die von der Übertragungsvorrichtung durchgeführt werden können, bestimmt. Dementsprechend kann nur die Anzahl an Bursts n₁ bis n_N vom Stromgenerator 200 bestimmt werden. Da jedoch die Anzahl an Bursts, die von der Übertragungsvorrichtung übertragen werden kann, begrenzt ist, betrifft die Bestimmung der Anzahl an Bursts beschränkte Optimierung.
Wenn eine Gesamtzahl von Bursts M beträgt, muss um die Formel (2) zu erfüllen, die kleinste ganze Zahl L, die größer ist als r_min/r₁ n₁ zugeordnet werden, und M-L muss n_k zugeordnet werden, das den größten Koeffizienten r_ku_k unter den Anzahlen n_k (k = 1, ..., N) der Bursts aufweist.
Mit anderen Worten, die Multicastströme 32 werden derart erzeugt, dass Basisdaten in einem Multicaststrom enthalten sind, der der niedrigsten Datenrate entspricht, und die übrigen zusätzlichen Daten sind in einem Multicaststrom enthalten, der einer Datenrate entspricht, bei der das Produkt der Datenrate und der Anzahl an Empfangsvorrichtungen, die Daten bei der Datenrate empfangen können, maximal ist.
Der Kodierprozessor 210 kodiert jeden der Multicastströme 32 einzeln. Zu diesem Zweck weist der Kodierprozessor 210 bevorzugt einen ersten Prozessor 211 auf, der Kodierung mit Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) an jedem der Multicastströme 32 durchführt, einen zweiten Prozessor 212, der jeden FEC-kodierten Multicaststrom 33 verschachtelt und einen dritten Prozessor 213, der Signalkonstellationsmapping an jedem FEC-kodierten und verschachtelten Multicaststrom 34 durchführt.
Ein vom Kodierprozessor 210 durchgeführter Kodierprozess gibt Kanalkodierung an. Kanalkodierung hat eine Funktion zur Korrektur von Fehlern. FEC-Kodierung, die bei drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet wird, verwendet einen CRC(Cyclic Redundancy Check)-Kode, einen Konvolutionskode oder einen Turbokode.
Wenn FEC-Kodierung zur Fehlerkorrektur nicht ausreichend ist, wie im Falle eines Burstfehlers, wird Verschachtelung (Interleaving) angewendet. Verschachtelung ist ein Verfahren zum unabhängigen Dispergieren von Bits in ein Signal, so dass ein Burstfehler in einen statistischen Fehler umgewandelt wird, so dass Fehlerkorrektur durchgeführt werden kann.
Signalkonstellationsmapping bedeutet Einstellen von Phase und Amplitude jedes Signalpunkts in einem Modulationsschema wie QPSK oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM). Zum Beispiel wird Signalkonstellationsmapping in der in 1B gezeigten Signalkonstellation durch Einstellen des Werts λ durchgeführt, um die Beträge von D₁ und D₂ zu verändern.
Mit Bezug zu 2 führen der erste bis dritte Prozessor 211 bis 213 FEC-Kodierung, Verschachtelung bzw. Signalkonstellationsmapping durch. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und die Disposition dieser Pro zessoren 211 bis 213 oder ein Kodierverfahren können in Abhängigkeit vom Kanalzustand und dem Zustand jeder Empfangsvorrichtung anders sein.
Der Headerprozessor 220 erzeugt Header entsprechend den einzelnen kodierten Multicastströmen 35 und moduliert sie bei bestimmten Datenraten. Es wird ein Header für jeden der Multicastströme erzeugt und beinhaltet Information, die notwendig ist, damit Empfangsvorrichtungen die Multicastströme empfangen.
Die 3A und 3B zeigen die Struktur von Headern in einer Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 3A beinhaltet ein Header in der Übertragungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer Medienzugangskontroll(MAC)-Adresse HA eine Empfangsvorrichtungsgruppe, der ein Multicaststrom entspricht, Kodierinformation HC, die im Multicaststrom eingesetzt ist, die Größe HS des Multicaststroms und weitere Information HE.
Verfahren zum Bereitstellen von Multicast in einem lokalen Netzwerk (LAN, Local Area Network) beinhalten ein Verfahren zur Verwendung einer Mehrzahl von MAC-Adressen für Unicast und ein Verfahren zur Verwendung einer Mehrzahl von MAC-Adressen für Multicast. In einem Verfahren unter Verwendung einer Mehrzahl von MAC-Adressen für Unicast wird die selbe Information zu jeder einer Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen übertragen und die Kanalnutzungseffizienz ist gleich wie bei Unicast. MAC-Adressen für Multicast müssen verwendet werden, um den Vorteil der Multicastübertragung zur effizienten Nutzung eines Übertragungskanals zu nutzen. Im Fall von HiperLAN 2, werden 32 Adressen von 256 Adressen dem Multicast zugewiesen. Zur Verwendung von Multicast-MAC-Adressen ist es notwendig, Gruppen von Empfangsvorrichtungen zu definieren, die Multicast empfangen und jeder Gruppe eine MAC-Adresse zuzuweisen.
Die in jedem Multicaststrom eingesetzte Kodierinformation HC beinhaltet ein FEC-Kodierverfahren, eine Kodierrate, ein Punktierverfahren, ein Verschachtelungsverfahren, ein Signalkonstellationsverfahren und eine Modulationsdatenrate usw.
Mit Bezug zu 3B beinhaltet der Header auch ein Bit HN, das das Vorliegen oder Fehlen eines Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate angibt. Wenn das HN-Bit 1 beträgt, liegt ein Multicaststrom entsprechend einer höheren Datenrate vor. Wenn das HN-Bit 0 beträgt, entspricht der relevante Multicaststrom der höchsten Datenrate.
Ein Header wie der oben beschriebene wird von einem Modulationsschema moduliert, das eine bestimmte Datenrate aufweist. Zur Verringerung von Fehlern bei der Headerübertragung ist es bevorzugt, den Header mit der niedrigsten Datenrate zu modulieren. Da es jedoch nicht notwendig ist, dass ein Header, der einem Multicaststrom entspricht, der von einer Empfangsvorrichtung nicht empfangen werden soll, von der Empfangsvorrichtung empfangen wird, kann jeder Header mit der selben Datenrate moduliert werden wie der entsprechende Multicaststrom.
Der Strommodulator 230 moduliert jeden kodierten Multicaststrom 35 mit einer entsprechenden Datenrate.
Der Rahmengenerator 240 addiert modulierte Header 41 zu den jeweiligen Multicastströmen 36, so dass mindestens ein Übertragungsrahmen 50 erzeugt wird.
Die 4A bis 4C zeigen die Strukturen von Übertragungsrahmen in einer Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Multicastdaten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A zeigt die Struktur eines Übertragungsrahmens in einem Fall, wo N modulierte Header H₁ bis H_N jeweils zu N modulierten Multicastströmen D₁ bis D_N addiert werden, so dass N Übertragungsrahmen F₁ bis F_N erzeugt werden. Mit Bezug zu 4A ist jeder Rahmen F_k (k = 1, 2, ..., N) aus einem Header H_k und einem Datenstrom D_k gebildet.
4B zeigt die Struktur eines Übertragungsrahmens in einem Fall, wo N modulierte Header H₁ bis H_N zunächst disponiert werden und N modulierte Multicastströme D₁ bis D_N danach disponiert werden, so dass ein einzelner Übertragungsrahmen erzeugt wird. Mit Bezug zu 4B sind die Header H₁ bis H_N und die Datenströme D₁ bis D_N in aufsteigender Folge der Datenrate disponiert.
Wenn ein Übertragungsrahmen mit der in 4A oder 4B gezeigten Struktur empfangen wird, bestimmt eine Empfangsvorrichtung, ob er unter Bezugnahme auf die MAC-Adresse HA im Header empfangen wird. Mit anderen Worten, die Empfangsvorrichtung empfängt einen relevanten Datenstrom nur, wenn die Empfangsvorrichtung in einer Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten ist, die der MAC-Adresse entspricht.
4C zeigt die Struktur eines Übertragungsrahmens in einem Fall, wo N Header einen einzigen großen Header CH bilden. Hier ist es bevorzugt, dass jeder Header eine Struktur wie in 3B gezeigt aufweist. Der Header CH beinhaltet Kodierinformation HC₁ bis HC_N für N Ströme, Stromgrößen HS₁ bis HS_N, andere Information HE₁ bis HE_N und Bits HN₁ bis HN_N, die das Vorliegen oder Fehlen eines Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate anzeigen. Der Header HC kann nur die MAC-Adresse HA einer Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten, ohne N MAC-Adressen.
Wenn ein Übertragungsrahmen mit der in 4C gezeigten Struktur empfangen wird, bestimmt eine Empfangsvorrichtung einen Teil eines zu empfangenden Datenstroms basierend auf der Kodierinformation HC₁ bis HC_N und den Bits HN₁ bis HN_N, die das Vorliegen oder Fehlen eines Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate anzeigen, anstelle der MAC-Adresse HA.
5 ist ein Blockdiagramm einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Multicastdaten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug zu 5 beinhaltet die Empfangsvorrichtung einen Headerdemodulator 300, einen Stromdemodulator 310, einen Stromdekoder 320 und einen Datenmischer 330.
Der Headerdemodulator 300 demoduliert den Header von mindestens einem Übertragungsrahmen 51, der von einer externen Übertragungsvorrichtung übertragen ist, so dass ein Headerinformationssignal 52 erzeugt wird.
In der in 5 gezeigten Ausführungsform weist ein demodulierter Header die in 3A oder 3B gezeigte Struktur auf. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Teils eines zu empfangenden Datenstroms variiert mit der Struktur eines Übertragungsrahmens.
Wenn der Übertragungsrahmen die in 4A oder 4B gezeigte Struktur aufweist, bestimmt die Empfangsvorrichtung, ob sie in einer Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten ist, die von der MAC-Adresse HA in jedem Header bezeichnet ist. Wenn bestimmt ist, dass die Empfangsvorrichtung in der Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten ist, empfängt die Empfangsvorrichtung einen Datenstromteil entsprechend dem Header. Ansonsten empfängt die Empfangsvorrichtung keinen Datenstromteil.
Wenn der Übertragungsrahmen die in 4C gezeigte Struktur aufweist, bezeichnet die MAC-Adresse HA in einem Header eine Empfangsvorrichtungsgruppe, die alle Empfangsvorrichtungen enthält, die Zielorte der Multicastübertragung sind. Hier empfängt eine Empfangsvorrichtung keinerlei Daten vom Übertragungsrahmen, wenn bestimmt ist, dass die Empfangsvorrichtung nicht in der Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten ist. Wenn bestimmt ist, dass die Empfangsvorrichtung in der Empfangsvorrichtungsgruppe enthalten ist, bestimmt die Empfangsvorrichtung einen zu empfangenden Datenstromteil basierend auf der Kodierinformation HC₁ bis HC_N und den Bits HN₁ bis HN_N, die das Vorliegen oder Fehlen eines Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate anzeigen, die im Header enthalten sind.
Der Stromdemodulator 310 demoduliert Datenstromteile des Übertragungsrahmens 51, die empfangen werden sollen, in Abhängigkeit von einem Headerinformationssignal 52, so dass mindestens ein kodierter Datenstrom 55 erzeugt wird.
Der Stromdekoder 320 dekodiert mindestens einen kodierten Datenstrom 55. Zu diesem Zweck beinhaltet der Stromdekoder 320 bevorzugt einen ersten Dekoder 321, der Signalkonstellationsdemapping an kodierten Datenströmen 55 durchführt, einen zweiten Dekoder 322, der Deinterleaving an Datenströmen 56 nach Konstellationsdemapping durchführt, und einen dritten Dekoder 323, der FEC-Dekodierung an Datenströmen 57 nach Konstellationsdemapping und Deinterleaving durchführt.
Der Datenmischer 330 mischt einen oder mehrere Datenströme 58 und gibt Daten 60 mit einer skalierbaren Datenstruktur aus. Wenn es nur ei nen Datenstrom gibt, der von der Empfangsvorrichtung empfangen werden kann, ist der Datenstrom selbst Daten, die Basisinformation enthalten. Wenn eine Mehrzahl von Datenströmen empfangen wird, können die Datenströme, die zusätzliche Information enthalten, zu einem Datenstrom mit Basisinformation hinzuaddiert werden, so dass Daten mit Information in hoher Qualität erhalten werden können.
Zum Vergleich eines Kommunikationssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem in 1A gezeigten Kommunikationssystem, das das UQPSK-Modulationsschema verwendet, werden Simulationen in einem drahtlosen LAN-System unter Verwendung des Standards des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11a, der ein Standard für drahtloses LAN ist, durchgeführt.
6 ist eine Tabelle von Parametern in Bezug auf jedes Modulationsschema, das vom IEEE 802.11a Standard unterstützt wird. Mit Bezug zu 6 werden acht Arten von Datenraten 61 von 6 Mbps bis 54 Mbps vom IEEE 802.11a unterstützt. Zu Unterstützung der acht Arten von Datenraten 61, werden binäre Phasenumtastmodulation (BPSK), Quadraturphasenumtastmodulation (QPSK), 16 QAM und 64 QAM als Modulationsschema 62 verwendet. Eine Koderate 63 ist ein Verhältnis der Anzahl von Datenbits nach Kodierung zur Anzahl an Datenbits vor dem Kodieren.
Im Standard IEEE 802.11a wird orthogonales Frequenzdivisionsmultiplexing (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) verwendet. Gemäß dem OFDM werden 48 orthogonale Träger zur Übertragung verwendet. Jeder orthogonale Träger wird als Unterträger bezeichnet, und ein Einheitssignalburst, der unter Verwendung der 48 Unterträger übertragen wird, wird als OFDM-Symbol bezeichnet. Die Anzahl 64 an kodierten Bits pro Unterträger wird gemäß einem Modulationsschema bestimmt. Die Anzahl 64 an kodierten Bits pro Unterträger beträgt 1 für BPSK, 2 für QPSK, 4 für 16 QAM und 6 für 64 QAM.
Da ein einzelnes OFDM-Symbol unter Verwendung von 48 Unterträgern übertragen wird, ist die Anzahl 65 an kodierten Bits pro OFDM-Symbol das Produkt von 48 und der Anzahl 64 an kodierten Bits pro Unterträger.
Da alle Empfangsvorrichtungen in der Lage sein müssen, Signale in einer Multicastübertragung zu empfangen, wird nur ein zwangsweiser Modus verwendet. Der Zwangsmodus gibt ein Modulationsschema an, das in einem System zwangsweise unterstützt wird. Wenn IEEE 802.11a verwendet wird, sind drei Fälle 71, 72 und 73, in denen Datenraten 6, 12 bzw. 24 Mbps betragen, Zwangsmoden.
Es sei angenommen, dass die Gesamtzahl an Empfängervorrichtungen A beträgt und die Anzahl an Empfängervorrichtungen in jeder der drei Empfängervorrichtungsgruppen, deren jede Daten bei einer der drei Datenraten empfangen kann, u₁, u₂ bzw. u₃ beträgt. Zur Deutlichkeit der Beschreibung, wenn angenommen wird, dass die Anzahl an Empfängervorrichtungen in jeder Empfängervorrichtungsgruppe außer den Empfängervorrichtungen, die Daten bei einer höheren Datenrate empfangen können als eine Datenrate, der diese Empfängervorrichtungsgruppe entspricht, bei den Datenraten der Zwangsmoden a₁, a₂ bzw. a₃ beträgt, dann gilt a₁ = u₁ – u₂, a₂ = u₂ – u₃ und a₃ = u₃ und a₁ + a₂ + a₃ = A. Dementsprechend gilt u₁ = A, u₂ = A – a₁ und u₃ = A – a₁ – a₂. Wenn angenommen wird, dass die Anzahl an Datenbits, die in jedem OFDM-Symbol übertragen werden können, r₁, r₂ bzw. r₃ beträgt, dann gilt r₁ = 24, r₂ = 48 und r₃ = 96.
Wenn angenommen wird, dass die Anzahl an OFDM-Symbolen zur Übertragung unter Verwendung von BPSK, QPSK und 16 QAM n₁, n₂ bzw. n₃ beträgt, und die Gesamtzahl an Bursts, die für die Übertragung genutzt werden können, M beträgt, kann Formel (1) in Bezug auf a₁, a₂ und a₃ wie in Formel (3) gezeigt umgeschrieben werden.
Wenn die Größe r_min an Basisdaten 256 Bits beträgt, weil r_min/r₁ = 256/24 = 10,67, muss n₁ über 11 liegen, um zu ermöglichen, dass alle A Empfängervorrichtungen die Basisdaten empfangen.
Unter den obigen Bedingungen werden die Werte von n₁, n₂ und n₃, die die Formel (3) erfüllen, gemäß der Verteilung von a₁, a₂ und a₃ bestimmt. 7 ist ein Schaubild der Verteilung der Empfängervorrichtungen mit unterschiedlichen Datenraten.
Mit Bezug zu 7, wenn a₁ >= A/2 und a₁ + a₂ >= 3/4·A, das heißt, für Empfängervorrichtungen in einem Bereich (a) ist der Wert von "k" 1, wenn der Wert von r_ku_k maximal ist. Dementsprechend werden alle M Bursts unter Verwendung von BPSK mit einer Datenrate von 6 Mbps zur Übertragung moduliert.
Wenn a₁ < A/2 und a₁ + 2a₂ >= A, das heißt, für Empfängervorrichtungen in einem Bereich (b) ist der Wert von "k" 2, wenn der Wert von r_ku_k maximal ist. Dementsprechend werden 11 Bursts von den M Bursts unter Verwendung von BPSK moduliert und die übrigen M – 11 Bursts werden unter Verwendung von QPSK mit einer Datenrate von 12 Mbps zur Übertragung moduliert.
Wenn a₁ + a₂ < 3/4·A und a₁ + 2a₂ < A, das heißt, für Empfängervorrichtungen in einem Bereich (c) ist der Wert von "k" 3, wenn der Wert von r_ku_k maximal ist. Dementsprechend werden 11 Bursts von den M Bursts unter Verwendung von BPSK moduliert und die übrigen M – 11 Bursts werden unter Verwendung von 16 QAM mit einer Datenrate von 24 Mbps zur Übertragung moduliert.
Die folgende Beschreibung betrifft die mittlere Empfangsdatenrate und Ausfallwahrscheinlichkeit einer Empfängervorrichtung in jedem der in 7 gezeigten Bereiche (a), (b) und (c). Es wird angenommen, dass die Gesamtzahl M an Bursts 50 beträgt und die Gesamtzahl A an Empfängervorrichtungen 20 beträgt. Im Bereich (a) wird ein Fall mit a₁ = 10, a₂ = 7 und a₃ = 3 betrachtet. Im Bereich (b) wird ein Fall mit a₁ = 7, a₂ = 8 und a₃ = 5 betrachtet. Im Bereich (c) wird ein Fall mit a₁ = 7, a₂ = 3 und a₃ = 10 betrachtet. Hier wird angenommen, dass die SNRs der Empfängervorrichtungen eine gleichförmige Verteilung aufweisen, in der sie um 0,5 dB ansteigen. Wenn zum Beispiel a₃ = 3 ist, weisen die drei Empfängervorrichtungen höhere SNRs auf als das minimale SNR, bei dem 16 QAM-Daten empfangen werden können, nämlich 0 dB, 0,5 dB bzw. 1 dB. Ein SNR zum Empfangen von QPSK-Daten muss 3 dB höher sein als zum Empfangen von BPSK-Daten, und ein SNR zum Empfangen von 16 QAM-Daten muss um 7 dB höher sein als das zum Empfangen von QPSK-Daten.
Im Kommunikationssystem unter Verwendung des in 1A gezeigten UQPSK-Modulationsschemas wird ein notwendiges SNR gemäß dem Wert von λ bestimmt. Es sei angenommen, dass ein SNR in Bezug auf ein gesamtes Signal, das von einer Empfängervorrichtung durch einen Kommunikationskanal empfangen wird, γ_UQPSK beträgt, ein SNR in Bezug auf eine I-Komponente γ_I ist und ein SNR in Bezug auf eine Q-Komponente γ_Q ist. Dann gilt γ_Q = λ²·γ_I und γ_UQPSK = γ_I + γ_Q, so dass γ_Q = λ²γ_UQPSK(1 + λ²). Dementsprechend werden Bitfehlerraten (BERs, Bit Error Rates) in Bezug auf die jeweiligen I- und Q-Komponenten in Formel (4) ausgedrückt.
Wenn SNRs in Bezug auf empfangene Signale in den BPSK- und QPSK-Modulationsschemen γ_BPSK bzw. γ_QPSK sind, werden BERs in den jeweiligen BPSK- und QPSK-Modulationsschemen wie in Formel (5) ausgedrückt. Dementsprechend muss, damit es möglich ist, dass Basisdaten, die durch eine I-Komponente in dem in 1A gezeigten System übertragen werden, die selbe BER aufweisen wie Basisdaten, die unter Verwendung des BPSK-Modulationsschemas übertragen werden, muss γ_UQPSK um 10log₁₀(1 + λ²) dB größer sein als γ_BPSK. Damit es möglich ist, dass zusätzliche Daten, die durch eine Q-Komponente im in 1A gezeigten System übertragen werden, die selbe BER aufweisen, wie zusätzliche Daten, die unter Verwendung des QPSK-Modulationsschemas übertragen werden, muss γ_UQPSK um 10log₁₀(1 + λ²)/2λ² dB größer sein als γ_QPSK.
Die 8A bis 8C sind Tabellen, die die Anzahl an Empfängervorrichtungen zeigen, die Daten in jedem der BPSK- und QPSK-Modulationsschemen empfangen können, eine mittlere Datenrate und die Anzahl an Ausfällen in jedem in 7 gezeigten Bereich, wenn das in 1A gezeigte UQPSK-Modulationsschema verwendet wird. Mit Bezug zu den 8A bis 8C nimmt die Anzahl an Ausfällen zu, wenn der Wert von λ zunimmt, obwohl die Anzahl an für die QPSK verfügbaren Empfängervorrichtungen steigt.
Zunächst, wenn A = 20, a₁ = 10, a₂ = 7 und M = 50 ist, das heißt für den Bereich (a), moduliert eine Übertragungsvorrichtung für Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung 50 Bursts mit einer Datenrate von 6 Mbps unter Verwendung von BPSK. Dementsprechend empfangen alle 20 Empfängervorrichtungen die 50 Bursts mit 6 Mbps, und die mittlere Datenrate beträgt 6 Mbps. 8A zeigt die Ergebnisse von Simulationen, die unter Verwendung des in 1A gezeigten UQPSK-Modulationsschemas durchgeführt wurden. Mit Bezug zu 8A betragen die mittleren Datenraten für die meisten Werte von λ mindestens 6 Mbps, aber die Anzahl an Ausfällen nimmt mit steigendem Wert von λ zu.
Wenn A = 20, a₁ = 7, a₂ = 8 und M = 50 ist, das heißt für den Bereich (b), moduliert eine Übertragungsvorrichtung für Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung 11 Bursts mit einer Datenrate von 6 Mbps unter Verwendung von BPSK und moduliert 39 Bursts mit einer Datenrate von 12 Mbps unter Verwendung von QPSK. Dementsprechend beträgt die mittlere Datenrate 7,404 Mbps. Mit Bezug zu 8B liegt die mittlere Datenrate in einem Bereich von 6 Mbps bis 7,8 Mbps, wenn das in 1A gezeigte UQPSK-Modulationsschema verwendet wird, aber die Anzahl an Ausfällen nimmt mit steigendem Wert von λ zu.
Wenn A = 20, a₁ = 7, a₂ = 3 und M = 50 ist, das heißt für den Bereich (c) moduliert eine Übertragungsvorrichtung für Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung 11 Bursts mit einer Datenrate von 6 Mbps unter Verwendung von BPSK und moduliert 39 Bursts mit einer Datenrate von 24 Mbps unter Verwendung von 16 QAM. Dementsprechend beträgt die mittlere Datenrate 10,68 Mbps. Mit Bezug zu 8C nimmt die Anzahl an Ausfällen nimmt mit steigendem Wert von λ zu, wenn das in 1A gezeigte UQPSK-Modulationsschema verwendet wird, und das Maximum des Mittelwerts der Datenraten beträgt nur 8,4 Mbps.
In einem Fall, bei dem die Datenraten aller Empfängervorrichtungen niedrig sind, wenn das in 1A gezeigte UQPSK-Modulationsschema verwendet wird, ist die mittlere Datenrate wenig höher als die der vorliegenden Erfindung. Empfängervorrichtungen mit einem niedrigen SNR können jedoch aufgrund eines Ausfalls keine übertragenen Daten empfangen.
Hingegen in einem Fall, bei dem die Datenraten aller Empfängervorrichtungen hoch sind, ist die mittlere Datenrate bei der vorliegenden Erfindung viel höher als im in 1A gezeigten Fall, weil die vorliegende Erfindung 16 AQM verwendet, das im UQPSK-Modulationsschema nicht vorgesehen werden kann.
Bei Übertragung von Multicastdaten gemäß der vorliegenden Erfindung und Übertragung von Multicastdaten unter Verwendung der in 1A gezeigten Vorrichtung, werden die Summe der Datenraten und eine Ausfallwahrscheinlichkeit, die mit Veränderungen in bestimmten Parametern variieren, berechnet.
Für ein Pfadverlustmodell werden ein Logdistanzmodell und ein lognormales Fadingmodell verwendet. Ein Pfadverlust L ist durch die Formel (6) angegeben.
Hier bezeichnet "f" eine Trägerfrequenz, "c" bezeichnet die Lichtgeschwindigkeit, "d" bezeichnet die Distanz zwischen einer Übertragungsvorrichtung und einer Empfängervorrichtung in Metern, α bezeichnet ei nen Pfadverlustexponenten und X_σ bezeichnet das lognormale Fading, das mit einer Standardabweichung von σ normal verteilt ist.
Ein SNR bei jeder Empfängervorrichtung kann durch Formel (7) berechnet werden. SNR = Ptx – L – NAWGN NAWGN = 10logBW – kT + NF (7)
Hier ist P_tx die Übertragungsleistung von 24 dBm, BW ist eine Bandbreite von 20 MHz, "k" ist die Boltzmann-Konstante von 1,38 × 10^–23 Joule/Kelvin, T eine Temperatur von 293 K und NF eine Rauschzahl von 6 dB. Die Anzahl an Multicastempfängervorrichtungen U weist eine Poisson-Verteilung wie in Formel (8) auf.
Hier ist "a" die mittlere Anzahl an Empfängervorrichtungen. Es wird angenommen, dass die Empfängervorrichtungen in einem Kreis gleichförmig verteilt sind. Der Radius des Kreises wird als maximale Distanz bestimmt, die es ermöglicht, dass eine Empfängervorrichtung BPSK-Daten ohne lognormales Fading zuverlässig empfängt. Unter Annahme eines zusätzlichen Kanals mit weißem Gaußschem Rauschen (AWGN, Additive White Gaussian Noise), werden die für BPSK und QPSK erforderlichen SNRs aus Formel (5) erhalten, in der BER auf 10¹⁶ gesetzt wird. Ein für 16 QAM erforderliches SNR wird durch Addieren von 7 dB zum für QPSK erforderlichen SNR ermittelt.
9A ist ein Schaubild der Summe von Datenraten, die mit einem Pfadverlustexponenten α schwanken. Mit Bezug zu 9A ist, wenn der Pfadverlustexponent 1,5 übersteigt, die Summe der Datenraten, die bei der vorliegenden Erfindung erhalten wird, höher als die, die mit UQPSK erhalten wird. Hier beträgt die mittlere Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen 30 und die Standardabweichung σ des lognormalen Fading beträgt 4 dB.
Es sei angenommen, dass die Empfängervorrichtungen BPSK-Daten, QPSK-Daten und 16 QAM-Daten in Distanzen von d₁, d₂ bzw. d₃ empfangen können. Die Anzahl an Empfängervorrichtungen, die unter Verwendung jedes Modulationsschemas übertragene Daten empfangen können, ist proportional zur Fläche des Kreises. Aus Formel (6) sind ein mittleres Verhältnis der Anzahl u₂ an Empfängervorrichtungen, die QPSK-Daten empfangen können zur Anzahl u₃ an Empfängervorrichtungen, die 16 QAM-Daten empfangen können, und ein mittleres Verhältnis der Anzahl u₁ an Empfängervorrichtungen, die BPSK-Daten empfangen können zur Anzahl u₃ an Empfängervorrichtungen, die 16 QAM-Daten empfangen können, in Formel (9) angegeben.
Aus Formel (9) ist zu sehen, dass wenn der Pfadverlustexponent α zunimmt, können mehr Empfängervorrichtungen Signale empfangen, die bei einer höheren Datenrate moduliert sind.
9B ist ein Schaubild einer Ausfallwahrscheinlichkeit, die mit dem Pfadverlustexponenten α schwankt. Aus 9B kann abgeleitet werden, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit, die bei der vorliegenden Erfindung erhalten wird, immer geringer ist als die Ausfallwahrscheinlichkeit, die mit der in 1A gezeigten UQPSK erhalten wird. Dies liegt daran, dass UQPSK ein höheres SNR benötigt, als es für den Empfang von BPSK-modulierten Signalen notwendig ist, selbst wenn eine Empfängervorrichtung nur I-Komponenten empfängt.
9C ist ein Schaubild der Summe von Datenraten, die mit der mittleren Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen schwankt. Aus 9C kann abgeleitet werden, dass wenn die mittlere Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen in einem Bereich von 10 bis 40 liegt, die Summe von Datenraten, die bei der vorliegenden Erfindung erhalten wird, höher ist als die, die mit UQPSK erhalten wird.
9D ist ein Schaubild der Ausfallwahrscheinlichkeit, die mit der mittleren Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen schwankt. Aus 9D kann abgeleitet werden, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit in keiner Beziehung zur mittleren Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen steht.
Mit Bezug zu den 9C und 9D, wenn λ = 1 im UQPSK-Modulationsschema ist, wenn QPSK im UQPSK-Modulationsschema durchgeführt wird, ist die Summe von Datenraten gleich wie bei der vorliegenden Erfindung, aber die Ausfallwahrscheinlichkeit ist doppelt so hoch.
9E ist ein Schaubild der Summe von Datenraten, die mit der Standardabweichung σ des lognormalen Fading schwankt. Hier beträgt der Pfadverlustexponent α 3 und die mittlere Anzahl "a" an Empfängervorrichtungen 30.
Mit Bezug zu 9E nimmt, wenn die Standardabweichung des lognormalen Fading zunimmt, die Summe von Datenraten bei der vorliegenden Erfindung zu, nimmt aber im UQPSK-Modulationsschema ab.
Mit Bezug zu 9F nimmt, wenn die Standardabweichung des lognormalen Fading zunimmt, die Ausfallwahrscheinlichkeit sowohl bei der vorliegenden Erfindung wie beim UQPSK-Modulationsschema zu. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Ausfallwahrscheinlichkeit gleich wie sie im Falle von BPSK erhalten wird und immer geringer als sie erhalten wird, wenn im UQPSK-Modulationsschema λ größer als 0 ist.
Die vorliegende Erfindung kann als Kode ausgebildet sein, der auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet ist und von einem Computer gelesen werden kann, der jegliche Vorrichtungen mit Informationsverarbeitungsfunktion beinhaltet. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann von beliebigem Typ sein, auf dem Daten, die von einem Computer gelesen werden können, aufgezeichnet sein können, zum Beispiel ROM, RAM, CD-ROM, Magnetband, Floppy-Disk und optische Datenspeichereinrichtungen.
Gemäß den Vorrichtungen und Verfahren zum Übertragen und Empfangen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur werden Datenraten zur Übertragung von verschiedenen Strömen und Empfängervorrichtungsgruppen vor einer Übertragung bestimmt, so dass die Menge an zusätzlicher Information, die von allen Empfängervorrichtungen empfangen wird, erhöht werden kann und alle Empfängervorrichtungen Basisinformation empfangen können. Außerdem kann die Menge an Daten, die von allen Empfängervorrichtungen empfangen werden, maximiert werden und die Anzahl an Empfängervorrichtungen, die Information in hoher Qualität empfangen können, die aus Basisinformation und zusätzlicher Information zusammengesetzt ist, kann maximiert werden.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, sind die bevorzugten Ausführungsformen nur in einem beschreibenden Sinne verwendet. Es versteht sich für die Fachleute, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können.

Claims

Übertragungsvorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur mit Basis- und Zusatzinformation zu einer Mehrzahl von externen Empfängervorrichtungen, wobei die Übertragungsvorrichtung umfasst: einen Stromgenerator (200) derart ausgebildet, dass er die Multicastdaten in eine Mehrzahl von Multicastströmen unterteilt, die bestimmten Datenraten entsprechen, bei denen die Mehrzahl von externen Empfängervorrichtungen Daten empfangen kann; einen Kodierprozessor (210) derart ausgebildet, dass er die Mehrzahl von Multicastströmen einzeln kodiert; einen Headerprozessor (220) derart ausgebildet, dass er einen Header erzeugt, der jedem der kodierten Multicastströme entspricht und den erzeugten Header bei einer bestimmten Datenrate moduliert; einen Strommodulator (230) derart ausgebildet, dass er jeden der kodierten Multicastströme bei bestimmten Datenraten entsprechend der jeweiligen kodierten Multicastströme moduliert; und einen Rahmengenerator (240) derart ausgebildet, dass er die modulierten Header zu den modulierten Multicastströmen hinzufügt, so dass mindestens ein Übertragungsrahmen erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (200) derart ausgebildet ist, dass er die Mehrzahl von Multicastströmen derart erzeugt, dass ein Multicaststrom, der die Basisinformation umfasst, die niedrigste Datenrate aufweist, bei der alle Empfängervorrichtungen Daten empfangen können und dass die Multicastströme, die Zusatzinformation umfassen, eine Datenrate aufweisen, die so ausgewählt ist, dass das Produkt der Datenrate und der Zahl der Empfängervorrichtungen, die Daten empfangen können, bei der Rate maximal ist; durch Maximieren der Formel
wobei n_i Bursts im i-ten Strom vorhanden sind, r_i die Zahl der Datenbits in jedem Symbol im i-ten Strom ist, u_i die Zahl der Empfängervorrichtungen in der Empfängervorrichtungsgruppe entsprechend dem i-ten Strom ist, N die Zahl der Multicastströme ist, eine Gesamtzahl von A Empfängervorrichtungen vorhanden ist, alle A Empfängervorrichtungen den ersten Strom empfangen, so dass u₁ = A und a_i Vorrichtungen alle Ströme bis zum i-ten Strom empfangen, aber nicht höher, so dass u₂ = A – a₁, u₃ = A – a₁ – a₂; wobei Werte von n_i so ausgewählt sind, dass die Formel gemäß der Verteilung der Werte von a₁, a₂ ... a_N maximiert wird; und der Stromgenerator derart ausgebildet ist, dass er die Multicastströme mit den ausgewählten n_i Symbolen im i-ten Strom für i = 1, 2, ... N erzeugt.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kodierprozessor umfasst: einen ersten Prozessor (211) derart ausgebildet, dass er Vorwärtsfehlerkorrekturkodierung (FEC-Kodierung, Forward Error Correction) an der Mehrzahl von Multicastströmen durchführt; einen zweiten Prozessor (212) derart ausgebildet, dass er eine Verschränkung der vorwärtsfehlerkorrekturkodierten Multicastströme durchführt; und einen dritten Prozessor (213) derart ausgebildet, dass er Signalkonstellationsabbildung an den FEC-kodierten und verschränkten Multicastströmen durchführt, indem Phase und Amplitude an jedem Signalpunkt in einem Modulationsschema eingestellt werden, das Quadraturphasenumtastmodulation (QPSK) oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM) umfasst.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Headerprozessor (220) derart ausgebildet ist, dass er Header mit den selben Datenraten wie die der Multicastströme, die den Headern entsprechen, moduliert.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Headerprozessor derart ausgebildet ist, dass er die Header mit der niedrigsten Datenrate moduliert.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Header eine Medienzugriffskontrolladresse einer Empfängervorrichtungsgruppe umfasst, die Empfängervorrichtungen mit einer Datenrate beinhaltet, bei der ein Multicaststrom entsprechend dem Header empfangen werden kann, Kodierinformation umfasst, die auf den Multicaststrom angewendet ist, und die Größe des Multicaststroms umfasst.
Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder Header ferner Information umfasst, die das Vorhandensein oder Fehlen eines weiteren Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate als die Datenrate, die dem vorliegenden Multicaststrom entspricht, angibt.
Übertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmengenerator (240) derart ausgebildet ist, dass er die modulierten Multicastströme in aufsteigender Ordnung der Datenrate anordnet und einen Satz der modulierten Header, die gemäß der Ordnung der modulierten Multicastströme angeordnet sind, vorn an einem Satz der angeordneten modulierten Multicastströme hinzufügt, so dass ein einzelner Übertragungsrahmen erzeugt wird.
Verfahren zum drahtlosen Übertragen von Multicastdaten mit einer skalierbaren Datenstruktur mit Basis- und Zusatzinformation zu einer Mehrzahl von externen Empfängervorrichtungen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Unterteilen der Multicastdaten in eine Mehrzahl von Multicastströmen, die bestimmten Datenraten entsprechen, bei denen die Mehrzahl von externen Empfängervorrichtungen Daten empfangen kann; (b) einzelnes Kodieren der Mehrzahl von Multicastströmen; (c) Erzeugen eines Headers, der jedem der kodierten Multicastströme entspricht, und Modulieren des erzeugten Headers mit einer bestimmten Datenrate; (d) Modulieren jedes der kodierten Multicastströme mit einer bestimmten Datenrate; und (e) Hinzufügen der modulierten Header zu den modulierten Multicastströmen, so dass mindestens ein Übertragungsrahmen erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (a) umfasst: Erzeugen der Mehrzahl von Multicastströmen derart, dass ein Multicaststrom, der Basisinformation umfasst, die geringste Datenrate aufweist, bei der alle Empfangsvorrichtungen Daten empfangen können, und dass jeder Multicaststrom, der Zusatzinformation umfasst, eine Datenrate aufweist, die so gewählt ist, dass das Produkt der bestimmten Datenrate und der Anzahl an Empfangsvorrichtungen, die Daten empfangen können, bei der Rate maximal ist; durch Maximieren der Formel
wobei n_i Bursts im i-ten Strom vorhanden sind, r_i die Zahl der Datenbits in jedem Symbol im i-ten Strom ist, u_i die Zahl der Empfängervorrichtungen in der Empfängervorrichtungsgruppe entsprechend dem i-ten Strom ist, N die Zahl der Multicastströme ist, eine Gesamtzahl von A Empfängervorrichtungen vorhanden ist, alle A Empfängervorrichtungen den ersten Strom empfangen, so dass u₁ = A und a_i Vorrichtungen alle Ströme bis zum i-ten Strom empfangen, aber nicht höher, so dass u₂ = A – a₁, u₃ = A – a₁ – a₂; wobei Werte von n_i so ausgewählt werden, dass die Formel gemäß der Verteilung der Werte von a₁, a₂ ... a_N maximiert wird; und der Stromgenerator derart ausgebildet ist, dass er die Multicastströme mit den ausgewählten n_i Symbolen im i-ten Strom für i = 1, 2, ... N erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (b) die Schritte umfasst: (b1) Durchführen einer Vorwärtsfehlerkorrekturkodierung (FEC-Kodierung, Forward Error Correction) an der Mehrzahl von Multicastströmen; (b2) Durchführen einer Verschränkung der vorwärtsfehlerkorrekturkodierten Multicastströme; und (b3) Durchführen einer Signalkonstellationsabbildung an den FEC-kodierten und verschränkten Multicastströmen, indem Phase und Amplitude an jedem Signalpunkt in einem Modulationsschema einstellt werden, das Quadraturphasenumtastmodulation (QPSK) oder Quadraturamplitudenmodulation (QAM) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt (c) ein Modulieren der Header mit den selben Datenraten wie die der Multicastströme, die den Headern entsprechen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Schritt (c) ein Modulieren der Header mit der niedrigsten Datenrate umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei jeder Header eine Medienzugriffskontrolladresse einer Empfängervorrichtungsgruppe umfasst, die Empfängervorrichtungen mit einer Datenrate beinhaltet, bei der ein Multicaststrom entsprechend dem Header empfangen werden kann, Kodierinformation umfasst, die auf den Multicaststrom angewendet wird, und die Größe des Multicaststroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Header ferner Information umfasst, die das Vorhandensein oder Fehlen eines weiteren Multicaststroms entsprechend einer höheren Datenrate als die Datenrate, die dem vorliegenden Multicaststrom entspricht, angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Schritt (e) ein Hinzufügen der modulierten Header an den entsprechenden modulierten Multicastströmen umfasst, so dass eine Mehrzahl von Übertragungsrahmen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Schritt (e) ein Anordnen der modulierten Multicastströme in aufsteigender Ordnung der Datenrate und ein Hinzufügen eines Satzes der modulierten Header, die gemäß der Ordnung der modulierten Multicastströme angeordnet sind, vorn an einen Satz der angeordneten modulierten Multicastströme umfasst, so dass ein einzelner Übertragungsrahmen erzeugt wird.
Drahtloses Kommunikationssystem umfassend eine Übertragungsvorrichtung und eine Mehrzahl von Empfängervorrichtungen, wobei die Übertragungsvorrichtung eine Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist, wobei jede der Mehrzahl von Empfängervorrichtungen umfasst: einen Headerdemodulator (300) derart ausgebildet, dass er einen Headerteil mindestens eines Übertragungsrahmens demoduliert, der von der Übertragungsvorrichtung übertragen ist, so dass ein Headerinformationssignal erzeugt wird; einen Stromdemodulator (310) derart ausgebildet, dass er einen Datenstromteil, der vom Übertragungsrahmen empfangen werden soll, in Reaktion auf das Headerinformationssignal demoduliert, so dass ein oder mehrere kodierte Datenströme erzeugt werden; einen Dekoder (320) derart ausgebildet, dass er den einen oder die mehreren kodierten Datenströme dekodiert; und einen Datenmischer (330) derart ausgebildet, dass er den einen oder die mehreren dekodierten Datenströme mischt und Daten mit einer skalierbaren Datenstruktur ausgibt.
Computerprogramm umfassend Computerprogrammkodemittel zum Ausführen aller Schritte nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Computerprogramm nach Anspruch 17 ausgeführt auf einem computerlesbaren Medium.